JP2012032908A - Method and apparatus for calculating structure or charge distribution of molecule/ion using computer - Google Patents

Method and apparatus for calculating structure or charge distribution of molecule/ion using computer Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce operation amount, work and time of an operator, labor, cost and time required for calculating a stable structure of a molecule or an ion or charge distribution in the molecule or the ion by applying a quantum chemistry calculation using a computer.SOLUTION: A quantum chemistry calculation according to the invention applies a structure optimization calculation to determine a local stable structure in a molecule/ion. A charge allotted structure is obtained by allotting charge quantity to each atom by applying an electric charge balance method using a schematic structure determined based on a chemical structural formula of the molecule/ion. A structure obtained by optimizing the charge allotted structure by applying a molecular force field calculation method; and the obtained structure is used as an initial structure for applying a structure optimization calculation in the quantum chemistry calculation. The local stable structure which is thus obtained has a pseudo minimum structure or a most stable structure having a charge distribution which can be assumed as generally identical to the charge distribution in the most stable structure of the molecule/ion.

Description

本発明は、コンピュータを用いて量子化学計算法により分子又は多原子イオンの構造を算出する方法又は装置に係り、より詳細には、任意の分子又は多原子イオンの最安定構造か又はその最安定構造に於ける電荷分布と略同様とみなすことのできる電荷分布を有する局所安定構造(以下、「擬似最安定構造」と称する。)を検出し、分子又は多原子イオンの電荷分布を算定することを可能にする方法又は装置に係る。なお、「分子」は電気的に中性である原子団であり、「多原子イオン」は、正又は負に帯電した原子団であり、「分子」と「多原子イオン」とは、いずれも複数の原子が種々結合して構成される原子団であるという点で共通である。   The present invention relates to a method or apparatus for calculating the structure of a molecule or polyatomic ion by a quantum chemical calculation method using a computer, and more specifically, the most stable structure of an arbitrary molecule or polyatomic ion or the most stable structure thereof. Detecting the local stable structure (hereinafter referred to as “pseudo-most stable structure”) having a charge distribution that can be regarded as almost the same as the charge distribution in the structure, and calculating the charge distribution of molecules or polyatomic ions. It relates to a method or an apparatus enabling the above. “Molecules” are atomic groups that are electrically neutral, “polyatomic ions” are atomic groups that are positively or negatively charged, and both “molecules” and “polyatomic ions” This is common in that it is an atomic group composed of various atoms bonded together.

近年のコンピュータの演算性能の向上により、分子力学法、分子動力学法、或いは、分子軌道法若しくは密度汎関数法といった量子化学計算法が、種々の分子・イオンの物理化学的特性の推定やそれらの種々の用途への利用可能性の評価のための有効な手段として利用されるようになっている(特許文献1〜4)。そのような例として、例えば、リチウムイオン二次電池などの非水電解質二次電池の研究開発の分野に於いては、好適な電解質や電極材料を探索する目的で、その候補となる分子・イオンについて、量子化学計算法(特に、ab initio分子軌道法又は密度汎関数法)を用いて決定された立体構造と電荷分布とから把握される化学的特性等を参照しながら、かかる候補となる分子・イオンの電解液や電極材料としての有用性を評価するといったことが行われている(特許文献5〜8、非特許文献1)。   Due to recent improvements in computing performance of computers, molecular mechanics methods, molecular dynamics methods, or quantum chemical calculation methods such as molecular orbital methods or density functional methods can be used to estimate the physicochemical properties of various molecules and ions. It is used as an effective means for evaluating the applicability to various uses (Patent Documents 1 to 4). For example, in the field of research and development of non-aqueous electrolyte secondary batteries such as lithium ion secondary batteries, candidate molecules and ions can be used for the purpose of searching for suitable electrolytes and electrode materials. With reference to the chemical properties, etc., ascertained from the three-dimensional structure and charge distribution determined using quantum chemical calculation methods (especially ab initio molecular orbital method or density functional method), the candidate molecules -Evaluation of the usefulness of ions as an electrolyte or electrode material is performed (Patent Documents 5 to 8, Non-Patent Document 1).

例えば、或るイオン(本明細書に於いて、特に断らない限り、イオンは、多原子イオンである。)について上記の如き非水電解質二次電池に使用されるイオン液体のカチオンとしての有用性を評価する場合には、典型的には、先ず、イオンの化学構造式から決定される概略的な構造を初期構造として、密度汎関数法による構造最適化演算及び/又はab initio分子軌道法による構造最適化演算を繰り返すことにより、イオン内の電子エネルギーについて最も安定な構造(最安定構造)が決定され、かかる最安定構造に於けるイオン内の各原子の電荷量(算出された電子密度を各原子に割り当てて与えられる電荷の分布:部分原子電荷)が算出される(非特許文献1)。そして、電荷が算出された(水素原子を除く)原子の中で、正に強く帯電した原子が存在する場合には、その原子は酸素ラジカルと反応しやすく、化学的に不安定であることから、そのイオンは、電解質のカチオンとしての有用性が低いとの評価がなされる。   For example, the usefulness as a cation of an ionic liquid used in a non-aqueous electrolyte secondary battery as described above for a certain ion (in this specification, unless otherwise specified, an ion is a polyatomic ion). Typically, first, a rough structure determined from the chemical structure of the ion is used as an initial structure, and a structure optimization operation by a density functional method and / or an ab initio molecular orbital method is used. By repeating the structure optimization calculation, the most stable structure (the most stable structure) is determined for the electron energy in the ion, and the charge amount (calculated electron density) of each atom in the ion in the most stable structure is determined. A distribution of electric charges assigned to each atom (partial atomic charge) is calculated (Non-Patent Document 1). If there is a positively charged atom among the atoms (excluding hydrogen atoms) for which the charge has been calculated, the atom is likely to react with oxygen radicals and is chemically unstable. The ions are evaluated as having low usefulness as electrolyte cations.

WO96/13785WO96 / 13785 特開2002−260975JP 2002-260975 A 特開2007−149075JP2007-149075 特開2003−36412JP 2003-36412 A 特開2002−63903JP 2002-63903 A 特開2002−60223JP2002-60223 特開2004−28590JP2004-28590 特開2009−295397JP2009-29597A

カタヤマ他3名、ジャーナル・オブ・ザ・エレクトロケミカル・ソサエティ 151(1)、A59−A63、2004年(Journal of The Electrochemical Society, 151(1), A59-A63, 2004)Katayama and three others, Journal of the Electrochemical Society 151 (1), A59-A63, 2004 (Journal of The Electrochemical Society, 151 (1), A59-A63, 2004) ラッペ他1名、ザ・ジャーナル・オブ・フィジカル・ケミストリー 95,3358−3363、1991年(J.Phys.Chem, 95, 3358-3363, 1991)Rappe et al., The Journal of Physical Chemistry 95, 3358-3363, 1991 (J. Phys. Chem, 95, 3358-3363, 1991) ラッペ他4名、ジャーナル・オブ・ザ・アメリカン・ケミカル・ソサエティ 114、10024−10035、1992年 (J.Am.Chem.Soc., 114, 10024-10035, 1992)Rappe and four others, Journal of the American Chemical Society 114, 10014-10035, 1992 (J. Am. Chem. Soc., 114, 10024-10035, 1992)

上記に於いて触れたように、或る分子・イオンを構成している各原子に於ける電荷量(分子・イオンに於ける電荷分布)を推定する際には、量子化学計算法による構造最適化演算を繰り返して、その分子・イオンの最安定構造を決定することが望ましい。なぜならば、最安定構造が、実際の分子・イオンが最も高い確率で取っている構造であり、最安定構造に於いて算定される電荷分布が、現実の分子・イオンの電荷分布に最も近いと考えられるからである。また、分子・イオンの電子軌道エネルギーの算定や最安定構造の決定の演算について、精度の最も高い演算結果が得られる演算方法は、一般的には、分子軌道法である。従って、より精度の高い分子・イオン内の電荷分布についての情報を得るには、分子軌道法によって最安定構造及び各原子の電荷量を算定することが好ましいこととなる。   As mentioned above, when estimating the charge amount (charge distribution in molecules / ions) of each atom constituting a molecule / ion, the structure optimization by quantum chemical calculation method is used. It is desirable to determine the most stable structure of the molecule / ion by repeating the conversion operation. This is because the most stable structure is the structure that the actual molecule / ion has the highest probability, and the charge distribution calculated in the most stable structure is closest to the charge distribution of the actual molecule / ion. It is possible. In general, the calculation method for obtaining the calculation result with the highest accuracy for the calculation of the electron orbital energy of molecules / ions and the determination of the most stable structure is the molecular orbital method. Therefore, in order to obtain information on the charge distribution in molecules / ions with higher accuracy, it is preferable to calculate the most stable structure and the charge amount of each atom by the molecular orbital method.

しかしながら、分子軌道法、特にab initio分子軌道法による最安定構造の決定は、その他の演算方法に比して演算負荷が高く、多大な演算時間と費用とを要し、また、最安定構造の特定に至るまでに複雑な手順と労力とが必要となる。一般に、ab initio分子軌道法により或る分子・イオンの最安定構造を決定するまでのプロセス、即ち、構造最適化演算プロセスに於いては、既に触れた如く、先ず、分子・イオンの化学構造式に基づいて(人為的に)生成される概略的な構造、即ち、分子・イオン内の原子種、原子の位置、原子間の結合の位置又は結合角度の概算値などの分子・イオンの立体構造を決定するパラメータの組が、初期構造としてコンピュータに入力される。コンピュータは、所定の分子軌道法のアルゴリズムに従って、入力された構造を徐々に変更しながら(即ち、立体構造を決定するパラメータを変更しながら)、変更された構造に於けるシュレディンガー方程式を解くことによりその構造の電子軌道の決定とエネルギーの算出の演算を反復して実行する。そして、かかる演算が繰り返されるうちに、算出されたエネルギー値が安定点となったとき(エネルギー値が極小となったとき)、そのときの構造が一つの安定構造として検出されることとなる。しかしながら、かくして見つかった安定構造は、一つの局所安定構造に過ぎず、別の初期構造を入力すると、別の局所安定構造が検出されることとなる。そして、その局所安定構造は、最安定構造と大幅に異なるエネルギー値を示す可能性がある。従って、真の最安定構造を検出するためには、様々な構造を初期構造として設定して、上記の局所安定構造を検出する演算を繰り返し、全ての局所安定構造を検出した後、その中で最も低いエネルギー値を有する構造が最安定構造として決定される。かくして、全ての局所安定構造を検出するべく、試行錯誤しながら上記の演算を繰り返す場合には、莫大な時間、労力及び費用が必要となる。もっとも、初期構造として入力すべき構造は、対象となる分子・イオンの様々な知見、幾何学的見地からの考察によってある程度の範囲で絞り込みが可能であるが、そのような情報に基づいて決定される初期構造が複数個ある場合には、演算が完了するまでに、やはり相当の時間、労力及び費用が必要となる。特に、対象となる分子・イオンに配座異性体が存在する場合、全ての配座異性体について、上記の構造最適化演算を実行することとなるので、配座異性体の数が多いほど、最安定構造を検出するまでに要する時間、労力及び費用は大きくなる。このような分子軌道法による最安定構造の検出に要する時間、労力及び費用を軽減するために、人為的に構成された概略構造を初期構造として、分子軌道法よりも低精度・低演算負荷の密度汎関数法による構造最適化演算を用いて、構造を或る程度、最安定構造に近づけるように修正してから分子軌道法による構造最適化演算が実行される場合もあるが、その場合でも、対象となる分子・イオンに配座異性体が存在する場合、全ての配座異性体について、上記の構造最適化演算を実行する必要があり、やはり演算量は大きく、多大な時間と手間を要する。   However, the determination of the most stable structure by the molecular orbital method, in particular the ab initio molecular orbital method, has a higher calculation load than other calculation methods, requires a lot of calculation time and cost, and the most stable structure Complicated procedures and labor are required before identification. In general, in the process of determining the most stable structure of a certain molecule / ion by the ab initio molecular orbital method, that is, in the structure optimization calculation process, as already mentioned, first, the chemical structural formula of the molecule / ion Schematic structure generated based on (artificially), that is, the three-dimensional structure of the molecule / ion, such as the atomic species in the molecule / ion, the position of the atom, the position of the bond between atoms or the approximate value of the bond angle A set of parameters that determines the value is input to the computer as an initial structure. The computer solves the Schrödinger equation in the changed structure while gradually changing the input structure (ie, changing the parameters that determine the three-dimensional structure) according to a predetermined molecular orbital algorithm. The calculation of the electron orbit of the structure and the calculation of energy are repeatedly executed. And while the calculation is repeated, when the calculated energy value becomes a stable point (when the energy value becomes minimum), the structure at that time is detected as one stable structure. However, the stable structure thus found is only one local stable structure, and when another initial structure is input, another local stable structure is detected. And the local stable structure may show an energy value significantly different from the most stable structure. Therefore, in order to detect the true most stable structure, various structures are set as the initial structure, the above-described operation for detecting the local stable structure is repeated, and after all the local stable structures are detected, The structure having the lowest energy value is determined as the most stable structure. Thus, in order to detect all local stable structures, when the above calculation is repeated with trial and error, enormous time, labor and cost are required. However, the structure to be entered as the initial structure can be narrowed down to some extent by considering various knowledge and geometrical considerations of the target molecule / ion, but it is determined based on such information. In the case where there are a plurality of initial structures, considerable time, labor and cost are required until the calculation is completed. In particular, when there are conformational isomers in the target molecule / ion, the above structure optimization operation is performed for all conformational isomers, so the greater the number of conformers, The time, labor and cost required to detect the most stable structure is increased. In order to reduce the time, labor, and cost required to detect the most stable structure by such molecular orbital method, an artificially constructed rough structure is used as the initial structure, which has lower accuracy and lower computational load than molecular orbital method. In some cases, the structure optimization operation by the molecular orbital method is executed after modifying the structure so that it is close to the most stable structure by using the structure optimization operation by the density functional theory. If there are conformational isomers in the target molecule / ion, it is necessary to perform the above structural optimization calculation for all the conformational isomers. Cost.

ところで、上記の非水電解質二次電池に使用されるイオン液体のカチオンの有用性の評価の例の如く、評価の対象となる分子・イオン内の電荷分布は、分子・イオンの最安定構造に於ける電荷分布であることが最も望ましいが、最安定構造に於ける電荷分布と略同様とみなすことが可能な分子・イオン内電荷分布が得られれば、電荷分布に関する評価について、最安定構造での電荷分布を用いた場合と同様の評価結果が得られることとなろう。換言すれば、分子・イオン内の電荷分布を用いた任意の評価を目的とする場合には、算出されるべき分子・イオンの構造は、最安定構造か又は最安定構造に於ける電荷分布と略同様とみなすことができる電荷分布を有する擬似最安定構造のいずれかで良いということとなる。   By the way, as in the example of the evaluation of the usefulness of the cation of the ionic liquid used in the nonaqueous electrolyte secondary battery, the charge distribution in the molecule / ion to be evaluated is the most stable structure of the molecule / ion. It is most desirable to have a charge distribution in the molecule, but if a charge distribution in the molecule / ion that can be regarded as almost the same as the charge distribution in the most stable structure is obtained, the evaluation regarding the charge distribution is performed in the most stable structure. An evaluation result similar to that obtained when the charge distribution of 1 is used will be obtained. In other words, for the purpose of arbitrary evaluation using the charge distribution in the molecule / ion, the structure of the molecule / ion to be calculated is the most stable structure or the charge distribution in the most stable structure. This means that any of the pseudo-most stable structures having a charge distribution that can be regarded as substantially the same may be used.

この点に関し、本発明の発明者による研究開発の過程に於いて、分子・イオンの化学構造式から概略的に決定した立体構造に対して各原子に電荷平衡法(非特許文献2)により算出される電荷量を割り付けた構造(即ち、分子・イオンの概略的に決定した原子種、原子の位置、原子間の結合の位置及び結合角度などの立体構造を指定するパラメータに、更に、電荷平衡法により算出された各原子の電荷量を組合せたパラメータの組)を分子力場計算法(例えば、非特許文献3)により構造最適化し、かくして得られた構造を初期構造として量子化学計算法による構造最適化演算プロセスを実行すると、そこで得られた局所安定構造は、殆どの場合、最安定構造か又は最安定構造に近い上記の如き擬似最安定構造となっていることを見出した。換言すれば、分子軌道法又は密度汎関数法等の量子化学計算法による構造最適化演算に於ける初期構造として、分子・イオンの化学構造式から概略的に決定した立体構造に対して各原子に電荷平衡法により算出される電荷量を割り付けた構造を分子力場計算法により構造最適化して得られる構造を用いると、量子化学計算法による構造最適化演算プロセスに於いて、従前に比して大幅に少ない回数の演算処理にて、典型的には、複数の配座異性体について演算処理を行って局所安定構造を検出する必要なく、最安定構造又は擬似最安定構造を検出できることが見出された。かかる知見は、分子・イオン内の電荷分布に関連して分子・イオンの評価するために、分子・イオン内の電荷分布を量子化学計算により算出する方法及び装置を改良する上で有利に用いられるであろう。   In this regard, in the process of research and development by the inventor of the present invention, each atom is calculated by the charge equilibrium method (Non-patent Document 2) with respect to the three-dimensional structure roughly determined from the chemical structural formula of the molecule / ion. To the structure to which the amount of charge to be assigned (ie, the roughly determined atomic species of the molecule / ion, the position of the atom, the position of the bond between atoms and the bond angle, and the parameters that specify the three-dimensional structure, and further the charge balance (A set of parameters obtained by combining the charge amounts of each atom calculated by the method) is optimized by a molecular force field calculation method (for example, Non-Patent Document 3), and the structure thus obtained is used as an initial structure by a quantum chemical calculation method. When the structure optimization calculation process is executed, it has been found that the local stable structure obtained there is almost the most stable structure or the pseudo-stable structure as described above close to the most stable structure. In other words, as the initial structure in the structure optimization operation by the quantum chemical calculation method such as the molecular orbital method or the density functional method, each atom is defined with respect to the three-dimensional structure roughly determined from the chemical structure formula of the molecule / ion. If the structure obtained by optimizing the structure to which the charge amount calculated by the charge balance method is assigned by the molecular force field calculation method is used in the structure optimization calculation process by the quantum chemistry calculation method, It can be seen that the most stable structure or the quasi-most stable structure can be detected without the need to detect the local stable structure by performing a calculation process on a plurality of conformers, and with a significantly smaller number of operations. It was issued. Such knowledge is advantageously used to improve the method and apparatus for calculating the charge distribution in the molecule / ion by quantum chemical calculation in order to evaluate the molecule / ion in relation to the charge distribution in the molecule / ion. Will.

かくして、本発明の主な課題は、コンピュータを用いて量子化学計算法により分子又は多原子イオンの安定構造及び分子又は多原子イオン内の電荷分布を算定する方法又は装置であって、量子化学計算法に於ける構造最適化演算プロセスの演算量を低減すると共に、演算の際の実施者の手間、労力、演算のための費用、時間を節約することのできる方法又は装置を提供することである。   Thus, a main object of the present invention is a method or apparatus for calculating a stable structure of a molecule or polyatomic ion and a charge distribution in the molecule or polyatomic ion by a quantum chemical calculation method using a computer, comprising: It is to provide a method or apparatus capable of reducing the amount of calculation of the structural optimization calculation process in the law, and saving the labor, labor, calculation cost, and time of the operator during the calculation. .

また、本発明のもう一つの課題は、上記の如き方法又は装置であって、量子化学計算法に於ける構造最適化プロセスに用いられる初期構造の設定における試行錯誤の程度を低減することである。   Another object of the present invention is to reduce the degree of trial and error in setting the initial structure used in the structure optimization process in the quantum chemistry calculation method as described above. .

更に本発明のもう一つの課題は、上記の如き方法又は装置の量子化学計算法に於ける構造最適化演算プロセスに於いて、従前に比して少ない手間、労力、費用及び/又は時間にて、分子・イオンの最安定構造又は最安定構造に於ける電荷分布と略同様とみなすことができる電荷分布を有する安定構造を検出できる新規な構成を提供することである。   Furthermore, another object of the present invention is to reduce the labor, labor, cost and / or time in the structure optimization operation process in the quantum chemical calculation method of the method or apparatus as described above. Another object of the present invention is to provide a novel configuration capable of detecting a stable structure having a charge distribution that can be regarded as being substantially the same as the charge distribution in the most stable structure of molecules / ions or the most stable structure.

上記の知見を用いて、本発明によれば、コンピュータを用いて分子又は多原子イオンの局所安定構造を量子化学計算法の構造最適化演算により決定する方法であって、前記の分子又は多原子イオンの化学構造式に基づいて決定される概略構造に於いて分子又は多原子イオン内の各原子に電荷平衡法により算出された電荷量を割り付けて得られる電荷割付構造を分子力場計算法にて構造最適化して得られる第一の構造最適化構造を、量子化学計算法の構造最適化演算の初期構造とすることを特徴とする方法が提供される。なお、上記の構成に於いて、更に、量子化学計算法の構造最適化演算により決定された前記の局所安定構造から分子又は多原子イオン内の電荷分布(即ち、分子又は多原子イオン内の各原子の電荷量)が算定されるようになっていてよい。   Using the above knowledge, according to the present invention, a method for determining a local stable structure of a molecule or polyatomic ion by a structure optimization operation of a quantum chemical calculation method using a computer, the molecule or polyatomic Charge allocation structure obtained by assigning the amount of charge calculated by the charge equilibrium method to each atom in a molecule or polyatomic ion in the approximate structure determined based on the chemical structure formula of the ion is used as the molecular force field calculation method Thus, there is provided a method characterized in that a first structure optimized structure obtained by structure optimization is used as an initial structure of a structure optimization operation of a quantum chemical calculation method. In the above-described configuration, the charge distribution in the molecule or polyatomic ion (that is, each in the molecule or polyatomic ion is further determined from the local stable structure determined by the structure optimization operation of the quantum chemical calculation method). (Amount of charge of atoms) may be calculated.

上記の構成に於いて、「量子化学計算法の構造最適化演算」は、既に触れた如く、或る構造が入力されると(「初期構造」が与えられると)、所定のアルゴリズムに従って、分子又は多原子イオンの構造の一部を変化させながら、電子エネルギーを算出し、電子エネルギーの極小値を与える構造、即ち、「分子又は多原子イオンの局所安定構造」を探索し検出する。また、「分子又は多原子イオンの化学構造式に基づいて決定される概略構造」とは、演算の実施者により、分子又は多原子イオンの化学構造式から、例えば、分子又は多原子イオンを構成する原子の種類、各原子の位置、各原子間結合の位置及び角度の組合せを設定することにより決定される分子又は多原子イオンの概略的な立体構造であり、「各原子に電荷平衡法により算出された電荷量を割り付けて得られる電荷割付構造」とは、概略構造に於いて、更に、電荷平衡法により算出された各原子の電荷量を指定した構造である。そして、「第一の構造最適化構造」とは、電荷割付構造を分子力場計算法にて構造最適化して得られる局所安定構造である。   In the above configuration, “structure optimization operation of quantum chemical calculation method”, as already mentioned, when a certain structure is input (when “initial structure” is given), according to a predetermined algorithm, Alternatively, the electron energy is calculated while changing a part of the structure of the polyatomic ion, and the structure that gives the minimum value of the electron energy, that is, the “local stable structure of the molecule or polyatomic ion” is searched for and detected. In addition, “schematic structure determined based on chemical structure formula of molecule or polyatomic ion” means that, for example, a molecule or polyatomic ion is constructed from the chemical structure formula of molecule or polyatomic ion by the operator. It is a schematic three-dimensional structure of a molecule or polyatomic ion determined by setting the combination of the type of atom to be performed, the position of each atom, the position and angle of each interatomic bond. The “charge assignment structure obtained by assigning the calculated charge amount” is a structure in which the charge amount of each atom calculated by the charge balance method is specified in the general structure. The “first structure-optimized structure” is a local stable structure obtained by optimizing the charge allocation structure by a molecular force field calculation method.

上記の本発明の方法に於いて、特に、注目されるべき構成は、量子化学計算法の構造最適化演算の初期構造として、分子又は多原子イオンの概略構造に於いて分子又は多原子イオン内の各原子に電荷平衡法により電荷量を割り付けて得られる電荷割付構造を分子力場計算法にて構造最適化して得られる構造(第一の構造最適化構造)を用いるという構成である。そして、かかる構成によれば、殆どの場合、上記の第一の構造最適化構造を初期構造として用いた量子化学計算法の構造最適化演算によって算出される局所安定構造が、通常はいくつか存在する局所安定構造のうち、最も低い電子エネルギーを与える局所安定構造である「最安定構造」そのものであるか、或いは、最安定構造ではないが、その電荷分布(即ち、分子又は多原子イオン内の各原子の電荷量)が、完全に最安定構造に於ける電荷分布と一致するわけではないが、最安定構造に於ける電荷分布と略同様であるとみなすことのできる電荷分布を有しており、最安定構造に於ける電荷分布との差異が、例えば、分子又は多原子イオンについての電荷分布の評価に於いて無視し得る程度である局所安定構造である「擬似最安定構造」、即ち、分子又は多原子イオン内の電荷分布の評価に利用可能な構造となる。従って、対象となる分子又は多原子イオンが配座異性体を有する場合であっても、従前の如く全ての配座異性体についての局所安定構造を探索及び検出する必要はなく、即ち、量子化学計算法の構造最適化演算を配座異性体の数だけ繰り返すことなく、分子又は多原子イオン内の電荷分布の評価に利用可能な構造が算定される。かくして、本発明の構成によれば、従来の技術に比して、分子又は多原子イオン内の電荷分布又はその評価に利用可能な構造を得るための演算量、実施者の試行錯誤の手間及び労力、演算のための費用及び時間が大幅に低減されることとなる。   In the above-described method of the present invention, in particular, the configuration to be noted is that the initial structure of the structure optimization operation of the quantum chemical calculation method is the internal structure of the molecule or polyatomic ion in the schematic structure of the molecule or polyatomic ion. The structure (first structure optimization structure) obtained by optimizing the structure of the charge assignment obtained by assigning the charge amount to each atom by the molecular force field calculation method is used. According to such a configuration, in most cases, there are usually several local stable structures calculated by the structure optimization operation of the quantum chemical calculation method using the first structure optimization structure as the initial structure. Among the local stable structures, the “stable structure” itself, which is the local stable structure that gives the lowest electron energy, is not the most stable structure, but its charge distribution (ie, within the molecule or polyatomic ion) The charge amount of each atom) is not completely coincident with the charge distribution in the most stable structure, but has a charge distribution that can be regarded as almost the same as the charge distribution in the most stable structure. The `` pseudo-most stable structure '', which is a local stable structure in which the difference from the charge distribution in the most stable structure is negligible in the evaluation of the charge distribution for molecules or polyatomic ions, , The structures available for evaluating the charge distribution within the molecule or multi-atom ions. Thus, even if the molecule or polyatomic ion of interest has a conformer, it is not necessary to search and detect local stable structures for all conformers as before, ie, quantum chemistry A structure that can be used for evaluation of charge distribution in a molecule or polyatomic ion is calculated without repeating the structure optimization operation of the calculation method by the number of conformers. Thus, according to the configuration of the present invention, the amount of calculation for obtaining the charge distribution in the molecule or polyatomic ion or the structure usable for the evaluation, the labor and time of the trial and error of the practitioner, and Labor, computation costs and time will be greatly reduced.

上記の構成に於いて、量子化学計算法の構造最適化演算は、具体的には、密度汎関数法による構造最適化演算、分子軌道法による構造最適化演算、或いは、これらの組合せであってよい。この分野に於いて良く知られている如く、密度汎関数法は、分子軌道法に比して、演算結果の精度は低いが、収束性がよく、少ない演算量にて電子の状態を算出することが可能である。そこで、上記の本発明に於ける量子化学計算法の構造最適化演算は、好適には、まず、第一の構造最適化構造を初期構造として密度汎関数法による構造最適化演算を実行して局所安定構造(第二の構造最適化構造)を決定し、しかる後、その第二の構造最適化構造を初期構造として分子軌道法による構造最適化演算を実行して、最安定構造か、或いは、最安定構造に於ける電荷分布と略同様であるとみなすことのできる電荷分布を有する擬似最安定構造となっている局所安定構造を決定するようになっていてよい。かかる構成によれば、最初から比較的演算量の大きい分子軌道法を実行するのではなく、密度汎関数法により或る程度構造を絞り込んでから、分子軌道法で更により精度の高い構造を算定することとなり、最終的に分子軌道法による結果が望まれる場合にも、構造最適化演算の演算負荷が軽減されることとなる。なお、所望の電荷分布の精度が密度汎関数法による構造最適化演算により得られた結果構造(第二の構造最適化構造)で十分である場合には、分子軌道法による演算は実行されなくてもよい。また、構造が比較的簡単な分子又は多原子イオンの場合や第一の構造最適化構造が最安定構造に近いと予想される場合には、密度汎関数法による構造最適化演算は省略されてもよい。   In the above configuration, the structure optimization operation of the quantum chemical calculation method is specifically a structure optimization operation by the density functional method, a structure optimization operation by the molecular orbital method, or a combination thereof. Good. As is well known in this field, the density functional method is less accurate than the molecular orbital method, but it has better convergence and calculates the state of electrons with a smaller amount of computation. It is possible. Therefore, in the above-described structure optimization operation of the quantum chemical calculation method according to the present invention, preferably, first, the structure optimization operation by the density functional method is executed with the first structure optimization structure as the initial structure. A local stable structure (second structure optimized structure) is determined, and then a structure optimization operation by a molecular orbital method is performed using the second structure optimized structure as an initial structure, and the most stable structure or The local stable structure that is a pseudo-most stable structure having a charge distribution that can be considered to be substantially the same as the charge distribution in the most stable structure may be determined. According to such a configuration, rather than executing the molecular orbital method with a relatively large amount of computation from the beginning, the structure is further narrowed down to a certain extent by the density functional method, and a more highly accurate structure is calculated by the molecular orbital method. Therefore, even when the result by the molecular orbital method is finally desired, the calculation load of the structure optimization calculation is reduced. If the result structure (second structure optimization structure) obtained by the structure optimization calculation by the density functional method is sufficient for the desired charge distribution accuracy, the calculation by the molecular orbital method is not executed. May be. In addition, in the case of a relatively simple molecule or polyatomic ion, or when the first structure optimization structure is expected to be close to the most stable structure, the structure optimization operation by the density functional method is omitted. Also good.

上記の本発明の方法に於ける量子化学計算法の構造最適化演算の初期構造として使用される構造の決定においては、上記の如く、まず、分子又は多原子イオン内の各原子への電荷平衡法により算出された電荷量の割り付け、即ち、概略構造内の各原子に於ける電荷量の指定、が為され、更に、電荷量の割り付けが為された構造(つまり、各原子の電荷量が指定された構造)が分子力場計算法によって最適化される。かかる初期構造の決定について、電荷平衡法に於いては、分子又は多原子イオンの本来の価数、即ち、分子又は多原子イオンが通常取り得る価数に対して、更に電子を付加又は除去したラジカル状態の分子又は多原子イオンについても、電荷量の算出が可能であり、従って、そのように算出される電荷量を概略構造内の各原子に対して割り付けることが可能である。しかしながら、本発明の方法を実際に実行した場合、ラジカル状態の分子又は多原子イオンについては、上記の第一の構造最適化構造を初期構造として用いた量子化学計算法の構造最適化演算によっては良好な結果は得られなかった。従って、本発明の方法に於いては、分子又は多原子イオンの本来の価数と電荷割付構造に於ける分子又は多原子イオンの価数とが一致したときに、前記の量子化学計算法の構造最適化演算による局所安定構造の決定が行われるようになっていてよい。また、分子力場計算法による電荷割付構造の構造最適化について、そこで設定される原子間ポテンシャル関数は、この分野で通常使用されている任意の関数であってよい。実施の形態に於いては、原子間ポテンシャル関数として、クーロン力又は静電相互作用を考慮した任意の関数、例えば、universal、dreading、compass、pcff、cvffなどが用いられてよい。   In the determination of the structure used as the initial structure of the structure optimization operation of the quantum chemical calculation method in the above-described method of the present invention, as described above, first, charge balance to each atom in the molecule or polyatomic ion is performed. The charge amount calculated by the method is assigned, that is, the charge amount at each atom in the general structure is designated, and the structure in which the charge amount is assigned (that is, the charge amount of each atom is The specified structure) is optimized by the molecular force field calculation method. Regarding the determination of the initial structure, in the charge balance method, electrons are added or removed from the original valence of the molecule or polyatomic ion, that is, the valence that the molecule or polyatomic ion can normally take. The charge amount can also be calculated for a radical state molecule or polyatomic ion, and thus the calculated charge amount can be assigned to each atom in the schematic structure. However, when the method of the present invention is actually executed, for a molecule or polyatomic ion in a radical state, depending on the structure optimization operation of the quantum chemical calculation method using the first structure optimization structure as the initial structure, Good results were not obtained. Therefore, in the method of the present invention, when the original valence of the molecule or polyatomic ion matches the valence of the molecule or polyatomic ion in the charge assignment structure, the quantum chemical calculation method described above is used. The local stable structure may be determined by the structure optimization calculation. Further, regarding the structure optimization of the charge assignment structure by the molecular force field calculation method, the interatomic potential function set there may be any function that is normally used in this field. In the embodiment, as the interatomic potential function, an arbitrary function considering Coulomb force or electrostatic interaction, for example, universal, dreading, compass, pcff, cvff, etc. may be used.

ところで、上記の本発明の特徴は、分子又は多原子イオンの化学構造式に基づいて決定される概略構造から始めて、電荷平衡法、分子力場計算法の構造最適化演算、量子化学計算法(密度汎関数法、分子軌道法)の構造最適化演算を順々に適用して分子又は多原子イオンの擬似最安定構造又は最安定構造を決定するものであるということもできる。従って、本発明のもう一つの態様によれば、コンピュータを用いて分子又は多原子イオンの局所安定構造を決定する方法であって、前記分子又は多原子イオンの化学構造式に基づいて決定される概略構造に於いて前記分子又は多原子イオン内の各原子に電荷平衡法により算出された電荷量を割り付けて得られる電荷割付構造を生成する過程と、前記電荷割付構造を分子力場計算法による構造最適化演算により最適化して第一の構造最適化構造を生成する過程と、前記第一の構造最適化構造を量子化学計算法による構造最適化演算により最適化して前記局所安定構造を決定する過程とを含むことを特徴とする方法が提供される。   By the way, the above-mentioned features of the present invention start from a schematic structure determined on the basis of a chemical structural formula of a molecule or polyatomic ion, and include a charge equilibrium method, a structure optimization operation of a molecular force field calculation method, a quantum chemical calculation method ( It can be said that the pseudo-most stable structure or the most stable structure of a molecule or polyatomic ion is determined by sequentially applying structure optimization operations of density functional method and molecular orbital method. Therefore, according to another aspect of the present invention, there is provided a method for determining a local stable structure of a molecule or polyatomic ion using a computer, which is determined based on a chemical structural formula of the molecule or polyatomic ion. A process of generating a charge assignment structure obtained by assigning a charge amount calculated by a charge equilibrium method to each atom in the molecule or polyatomic ion in a schematic structure, and the charge assignment structure by a molecular force field calculation method A process of generating a first structure optimized structure by optimization by a structure optimization operation, and determining the local stable structure by optimizing the first structure optimized structure by a structure optimization operation by a quantum chemical calculation method A process comprising the steps of:

上記の本発明の方法は、電荷平衡法、分子力場計算法、量子化学計算法(密度汎関数法、分子軌道法)を実行するプログラムがインストールされたコンピュータの作動により実現される。かくして、本発明のもう一つの態様によれば、分子又は多原子イオンの局所安定構造(擬似最安定構造か最安定構造となる。)を量子化学計算法の構造最適化演算により決定する演算処理装置であって、前記分子又は多原子イオンの化学構造式に基づいて決定される概略構造に於いて前記分子又は多原子イオン内の各原子に電荷平衡法により算出された電荷量を割り付けて得られる電荷割付構造を分子力場計算法にて構造最適化して得られる第一の構造最適化構造を、前記量子化学計算法の構造最適化演算の初期構造とすることを特徴とする装置、或いは、分子又は多原子イオンの局所安定構造を決定する演算処理装置であって、前記分子又は多原子イオンの化学構造式に基づいて決定される概略構造に於いて前記分子又は多原子イオン内の各原子に電荷平衡法により算出された電荷量を割り付けて得られる電荷割付構造を生成する手段と、前記電荷割付構造を分子力場計算法による構造最適化演算により最適化して第一の構造最適化構造を生成する手段と、前記第一の構造最適化構造を量子化学計算法による構造最適化演算により最適化して前記局所安定構造を決定する手段とを含むことを特徴とする装置が提供される。かかる装置に於いては、更に、前記量子化学計算法の構造最適化演算により決定された前記局所安定構造から前記分子又は多原子イオン内の電荷分布を算定するようになっていてよい。また、分子力場計算法による電荷割付構造の構造最適化に於いて設定される原子間ポテンシャル関数は、universal、dreading、compass、pcff及びcvffから成る群から選択される関数であってよく、量子化学計算法の構造最適化演算は、密度汎関数法による構造最適化演算及び/又は分子軌道法による構造最適化演算を含んでいてよい。なお、好適には、量子化学計算法の構造最適化演算が、第一の構造最適化構造を初期構造として密度汎関数法による構造最適化演算を実行することにより第二の構造最適化構造を決定する演算と、第二の構造最適化構造を初期構造として分子軌道法による構造最適化演算を実行することにより前記局所安定構造を決定する演算を含む。更に、本発明の装置に於いても、量子化学計算法の構造最適化演算による局所安定構造の決定は、分子又は多原子イオンの本来の価数と電荷割付構造に於ける分子又は多原子イオンの価数とが一致したときに実行されるようになっていてよい。   The method of the present invention is realized by the operation of a computer in which a program for executing a charge equilibrium method, a molecular force field calculation method, and a quantum chemistry calculation method (density functional method, molecular orbital method) is installed. Thus, according to another aspect of the present invention, an arithmetic processing for determining a local stable structure (a pseudo-most stable structure or a most stable structure) of a molecule or polyatomic ion by a structure optimization operation of a quantum chemical calculation method. An apparatus, which is obtained by assigning a charge amount calculated by a charge equilibrium method to each atom in the molecule or polyatomic ion in a schematic structure determined based on a chemical structural formula of the molecule or polyatomic ion. A first structure optimized structure obtained by optimizing a charge allocation structure obtained by a molecular force field calculation method as an initial structure of a structure optimization operation of the quantum chemical calculation method, or An arithmetic processing unit for determining a local stable structure of a molecule or polyatomic ion in a schematic structure determined on the basis of a chemical structural formula of the molecule or polyatomic ion. A means for generating a charge allocation structure obtained by allocating the amount of charge calculated by the charge balance method to an atom, and a first structure optimization by optimizing the charge allocation structure by a structure optimization operation by a molecular force field calculation method There is provided an apparatus comprising: means for generating a structure; and means for determining the local stable structure by optimizing the first structure optimized structure by a structure optimization operation using a quantum chemical calculation method . In such an apparatus, the charge distribution in the molecule or polyatomic ion may be calculated from the local stable structure determined by the structure optimization operation of the quantum chemical calculation method. Further, the interatomic potential function set in the structure optimization of the charge assignment structure by the molecular force field calculation method may be a function selected from the group consisting of universal, dreading, compass, pcff and cvff. The structure optimization operation of the chemical calculation method may include a structure optimization operation by the density functional method and / or a structure optimization operation by the molecular orbital method. Preferably, the structure optimization operation of the quantum chemistry calculation method performs the structure optimization operation by the density functional method with the first structure optimization structure as the initial structure, thereby obtaining the second structure optimization structure. And an operation for determining the local stable structure by executing a structure optimization operation by a molecular orbital method using the second structure optimized structure as an initial structure. Furthermore, even in the apparatus of the present invention, the determination of the local stable structure by the structure optimization operation of the quantum chemical calculation method is performed by the original valence of the molecule or polyatomic ion and the molecule or polyatomic ion in the charge allocation structure. It may be executed when the valence of the two matches.

既に述べた如く、従来の技術に於いて、分子又は多原子イオン内の電荷分布について評価する際には、量子化学計算法の構造最適化演算により最安定構造を求め、その最安定構造に於ける分子又は多原子イオン内の電荷分布が算定されていた。その際、構造最適化演算による最安定構造の探索では、試行錯誤、実験値や実施者の化学的な直感によって、初期構造を設定していたが、そのように初期構造を設定して得られた演算結果は、一つの局所安定構造であっても、最安定構造であるとは限らず、また、一般的に量子化学計算法の構造最適化演算の演算結果は、入力される初期構造によって大幅に変わり得るので、結局、或る局所安定構造から一定の範囲内に在る全ての局所安定構造を算定し、算定された局所安定構造のエネルギーを比較して、最低のエネルギーを有する最安定構造を検出せざるをえなかった。特に対象となる分子又は多原子イオンが配座異性体を有する場合には、或る局所安定構造から一定の範囲内に在る全ての配座異性体について、安定構造を算定する必要があったため、最安定構造を検出するまでの演算量、実施者の手間及び労力、演算のための費用及び時間は、膨大となる場合があった。   As described above, in the conventional technique, when evaluating the charge distribution in a molecule or polyatomic ion, the most stable structure is obtained by the structure optimization operation of the quantum chemical calculation method. The charge distribution within the molecule or polyatomic ion was calculated. At that time, in the search for the most stable structure by the structure optimization calculation, the initial structure was set by trial and error, experimental values, and the chemical intuition of the practitioner. The result of the calculation is not necessarily the most stable structure even if it is a single local stable structure. In general, the result of the structure optimization operation of the quantum chemical calculation method depends on the initial structure that is input. Since it can change greatly, after all the local stable structure within a certain range from a certain local stable structure is calculated, the energy of the calculated local stable structure is compared, and the most stable with the lowest energy I had to detect the structure. In particular, when the target molecule or polyatomic ion has a conformer, it was necessary to calculate the stable structure for all conformers within a certain range from a certain local stable structure. In some cases, the amount of calculation until the most stable structure is detected, the labor and effort of the practitioner, the cost and time for the calculation are enormous.

しかしながら、本発明に於いては、先ず、分子又は多原子イオン内の電荷分布についての評価に於いては、必ずしも最安定構造を検出しなければならないというわけではなく、最安定構造に於ける分子又は多原子イオン内の電荷分布と略同様であるとみなすことのできる電荷分布を有する分子又は多原子イオンの局所安定構造(擬似最安定構造)がわかれば、十分である点に着目し、これにより、最安定構造の検出に要していた演算量及び実施者の手間及び労力、演算のための費用及び時間の軽減を図ることが可能となっている。また、既に述べた如く、量子化学計算法の構造最適化演算処理に於いて、その初期構造として、分子又は多原子イオンの概略構造に於いて分子又は多原子イオン内の各原子に電荷平衡法により算出される電荷量を割り付けて得られる電荷割付構造を分子力場計算法にて構造最適化して得られる構造を用いて得られた局所安定構造が、殆どの場合で、最安定構造に於ける分子又は多原子イオン内の電荷分布と略同様であるとみなすことのできる電荷分布を有する分子又は多原子イオンの局所安定構造か最安定構造そのものとなっているという知見に基づき、従前の方法に於いて、最も苦労していた(配座異性体の探索を含む)量子化学計算法の構造最適化演算の初期構造の設定の実施者の試行錯誤の手間及び労力を大幅に低減するとともに(実際、実施者は、最初に化学構造式から分子又は多原子イオン内の原子種と概ねの位置を設定するだけでよい。)、量子化学計算法の構造最適化演算処理の回数を大幅に低減し、これにより演算のための費用及び時間の大幅な削減が達成される。   However, in the present invention, first, in the evaluation of the charge distribution in a molecule or polyatomic ion, the most stable structure does not necessarily have to be detected, but the molecule in the most stable structure is not necessarily detected. If we know the local stable structure (pseudo-most stable structure) of a molecule or polyatomic ion with a charge distribution that can be considered to be almost the same as the charge distribution in the polyatomic ion, Accordingly, it is possible to reduce the amount of calculation required for detecting the most stable structure, the labor and effort of the practitioner, and the cost and time for calculation. In addition, as already described, in the structure optimization calculation processing of the quantum chemical calculation method, the charge equilibrium method is applied to each atom in the molecule or polyatomic ion as the initial structure in the schematic structure of the molecule or polyatomic ion. The local stable structure obtained using the structure obtained by optimizing the charge allocation structure obtained by assigning the charge amount calculated by the molecular force field calculation method in most cases is the most stable structure. Based on the knowledge that the local stable structure or the most stable structure itself of the molecule or polyatomic ion having a charge distribution that can be regarded as almost the same as the charge distribution in the molecule or polyatomic ion In addition, the labor and effort of setting the initial structure of the structure optimization operation of the quantum chemistry calculation method (including the search for conformational isomers), which was the most difficult, was greatly reduced. Fruit First, the practitioner need only set the approximate position of the atomic species in the molecule or polyatomic ion from the chemical structural formula.), Significantly reducing the number of structural optimization operations in the quantum chemical calculation method This achieves a significant reduction in computation costs and time.

本発明の構成に於いて、電荷平衡法を利用して得られる電荷割付構造を分子力場計算法にて構造最適化して得られた構造を量子化学計算法の構造最適化演算の初期構造とすると、少ない量子化学計算法の構造最適化演算で擬似最安定構造か最安定構造そのものが検出される理由は、端的に述べれば、上記の分子力場計算法にて構造最適化して得られた後の構造が、既に最安定構造に近い構造となっているためであると考えられる。即ち、一般的に、分子又は多原子イオンの立体構造の形成に於いては、原子間のクーロン力の作用の寄与が比較的大きいと考えられるところ、本発明の構成に於いては、電荷平衡法により、相当に高い精度にて各原子の電荷量が算定され、その電荷量が割り付けられた構造から原子間のクーロン力の作用を考慮した分子力場計算法により近似的に安定な構造を決定するので、その状態で、既に最安定構造に近い状態になっていると予想される。   In the structure of the present invention, the structure obtained by optimizing the charge allocation structure obtained using the charge equilibrium method by the molecular force field calculation method is the initial structure of the structure optimization operation of the quantum chemistry calculation method. Then, the reason why the pseudo-stable structure or the most stable structure itself is detected by the structure optimization operation of a few quantum chemistry calculation methods is simply obtained by optimizing the structure by the molecular force field calculation method described above. This is probably because the later structure is already close to the most stable structure. That is, in general, in the formation of a three-dimensional structure of molecules or polyatomic ions, it is considered that the contribution of the action of Coulomb force between atoms is relatively large. Method, the charge amount of each atom is calculated with considerably high accuracy, and an approximately stable structure is calculated by a molecular force field calculation method considering the action of Coulomb force between atoms from the structure to which the charge amount is assigned. Therefore, it is expected that the state is already close to the most stable structure.

本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。   Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description of preferred embodiments of the present invention.

図1は、本発明の方法及び装置を実現するコンピュータ装置の模式図を示している。FIG. 1 shows a schematic diagram of a computer device that implements the method and apparatus of the present invention. 図2は、本発明による分子又は多原子イオンの最安定構造又は擬似最安定構造に於ける電荷分布を算出する処理過程をフローチャートの形式で表した図である。FIG. 2 is a flowchart showing the process of calculating the charge distribution in the most stable structure or pseudo-most stable structure of a molecule or polyatomic ion according to the present invention. 図3は、図2の処理過程に於いて徐々に構造最適化されるイオンの立体構造モデルを表した図である。なお、構造を明瞭にすべく、水素原子の表示は省略されている。(a)は、実施者によりフリーハンドで構成された概略構造であり、(b)は、(a)の構造に対して簡易的な分子力場計算法(clean)による構造最適化を実行した後の構造であり、(c)は、(b)の構造を分子力場計算法(universal)により構造最適化した後の構造(第一の構造最適化構造)であり、(d)は、(c)の構造を密度汎関数法(アクセルリス(Accelrys)社のDmol3)により構造最適化した後の構造であり、(e)は、(d)の構造を分子軌道法(ガウシアン社製Gaussian)により構造最適化した後の構造である。FIG. 3 is a diagram showing a three-dimensional structure model of ions that are gradually optimized in the process of FIG. In order to clarify the structure, the display of hydrogen atoms is omitted. (A) is a schematic structure configured freehand by the practitioner, and (b) is a structure optimization performed by a simple molecular force field calculation method (clean) on the structure of (a). (C) is a structure after the structure of (b) is optimized by a molecular force field calculation method (universal) (first structure optimized structure), and (d) is (C) is a structure after the structure is optimized by a density functional method (Dmol3 from Accelrys). (E) is a structure obtained from the molecular orbital method (Gaussian manufactured by Gaussian). ) Is a structure after the structure is optimized. 図4は、(a)トリメチルヘキシルアンモニウム(TMHA+:TriMethylHexylAmmonum)、(b)1−ブチル−4−メチル−ピリジニウム(BMP+:1-butyl-4-methyl-pyridinium chloroaluminate)、(c)1−エチル−3−メチルイミダゾリウム(EMI+:1-Etyl-3-Methyl Imidazolium)、(d)1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウム(DMPI+:1,2-dimethyl-3-propyl Imidazolium)のそれぞれについて、本発明の方法により得られた最安定構造又は擬似最安定構造となっている局所安定構造の模式図(左図)と、本発明の方法により得られた各原子の電荷量(黒棒)、従来法の方法により得られた各原子の電荷量(白棒)、文献値(非特許文献1)(点線棒)を棒グラフの形式にて表した図(右図)である。なお、構造図及び電荷量のグラフ図に於いて水素原子の表示は省略されている。FIG. 4 shows (a) trimethylhexylammonium (TMHA +), (b) 1-butyl-4-methyl-pyridinium chloroaluminate (BMP +), (c) 1-ethyl- For each of 3-methylimidazolium (EMI +: 1-Etyl-3-Methyl Imidazolium), (d) 1,2-dimethyl-3-propyl imidazolium (DMPI +: 1,2-dimethyl-3-propyl Imidazolium), Schematic diagram (left figure) of the local stable structure that is the most stable structure or pseudo-most stable structure obtained by the method of the present invention, and the charge amount (black bar) of each atom obtained by the method of the present invention, It is the figure (right figure) which represented the electric charge amount (white bar) of each atom obtained by the method of the conventional method, literature value (nonpatent literature 1) (dotted line bar) in the form of a bar graph. Note that the display of hydrogen atoms is omitted in the structure diagram and the charge amount graph. 図5は、従来の技術に於ける分子又は多原子イオンの最安定構造に於ける電荷分布を算出する処理過程の例をフローチャートの形式で表した図である。FIG. 5 is a flowchart showing an example of a process for calculating the charge distribution in the most stable structure of molecules or polyatomic ions in the prior art.

1…コンピュータ本体
2…コンピュータ端末
3…モニター
4…キーボード、マウス(入力装置)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Computer body 2 ... Computer terminal 3 ... Monitor 4 ... Keyboard, mouse (input device)

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を幾つかの好ましい実施形態について詳細に説明する。図中、同一の符号は、同一の部位を示す。   The present invention will now be described in detail with reference to a few preferred embodiments with reference to the accompanying drawings. In the figure, the same reference numerals indicate the same parts.

装置の概略
本発明による分子又は多原子イオンの最安定構造に於ける分子又は多原子イオン内の電荷分布と略同様であるとみなすことのできる電荷分布を有する分子又は多原子イオンの局所安定構造(擬似最安定構造)又は最安定構造を決定し、更に、分子又は多原子イオンの電荷分布が決定可能な方法及び装置は、この分野で通常使われている形式のコンピュータ装置1であってよい(図1)。コンピュータ装置1には、通常の態様にて、双方向コモン・バスにより相互に連結されたCPU、記憶装置、入出力装置(I/O)が装備され、記憶装置は、本発明の演算で使用する電荷平衡法、分子力場計算法、密度汎関数法及び分子軌道法を実行する各プログラムを記憶したメモリと、演算中に使用されるワークメモリ及びデータメモリを含んでいる。また、実施者によるコンピュータ装置1への指示及び計算結果その他の情報の表示及び出力は、コンピュータ装置1に接続されたコンピュータ端末装置2を通じて為される。コンピュータ端末装置2には、通常の態様にて、モニター3とキーボード並びにマウスといった入力装置4が設けられ、前記の各プログラムが起動されると、実施者は、前記の各プログラムの手順に従ってモニター3上に現れる表示に従って、入力装置4を用いてコンピュータ装置1に各種の指示及び入力を行うとともに、モニター3上にてコンピュータ装置1からの演算状態及び演算結果等を視覚的に確認することが可能となる。なお、図示していないその他の周辺機器(結果を出力するプリンタ、計算条件及び演算結果情報等を入出力するための記憶装置など)がコンピュータ装置1及びコンピュータ端末装置2に装備されていてよいことは理解されるべきである。コンピュータ装置1を用いて、以下に述べる各種の処理又は演算を実行する際には、通常の態様にて、各種の処理又は演算に必要なプログラムが起動され、実施者は、コンピュータ端末装置2に於いて、プログラムに於いて準備された入力手順に従って、演算に必要なデータ、演算時の計算条件その他の各種設定を入力し、演算が開始される。そして、演算の実行中又は終了後に、演算結果が、適宜、コンピュータ端末装置2を通じて出力可能となる。
Outline of the apparatus Local stable structure of a molecule or polyatomic ion having a charge distribution which can be regarded as substantially similar to the charge distribution in the molecule or polyatomic ion in the most stable structure of the molecule or polyatomic ion according to the present invention The method and apparatus capable of determining the (pseudo-most stable structure) or the most stable structure and further determining the charge distribution of molecules or polyatomic ions may be a computer apparatus 1 of the type commonly used in this field. (FIG. 1). The computer apparatus 1 is equipped with a CPU, a storage device, and an input / output device (I / O) connected to each other by a bidirectional common bus in a normal manner, and the storage device is used in the calculation of the present invention. A memory storing each program for executing a charge balance method, a molecular force field calculation method, a density functional method, and a molecular orbital method, and a work memory and a data memory used during calculation. In addition, the display and output of instructions, calculation results, and other information to the computer device 1 by the practitioner are performed through the computer terminal device 2 connected to the computer device 1. The computer terminal device 2 is provided with a monitor 3 and an input device 4 such as a keyboard and a mouse in a normal manner. When each of the programs is started, the practitioner follows the procedure of each program. In accordance with the display appearing above, various instructions and inputs can be made to the computer device 1 using the input device 4, and the calculation status and calculation results from the computer device 1 can be visually confirmed on the monitor 3. It becomes. Note that the computer device 1 and the computer terminal device 2 may be equipped with other peripheral devices (not shown) (printer for outputting results, storage device for inputting / outputting calculation conditions and calculation result information, etc.). Should be understood. When various processes or operations described below are executed using the computer apparatus 1, programs necessary for the various processes or calculations are started in a normal manner, and the practitioner can connect the computer terminal apparatus 2 to the computer terminal apparatus 2. Then, in accordance with the input procedure prepared in the program, data necessary for calculation, calculation conditions at the time of calculation, and other various settings are input, and calculation is started. Then, during or after the execution of the calculation, the calculation result can be output through the computer terminal device 2 as appropriate.

従来の分子又はイオンの構造・電荷分布の算出方法の概要
或る分子・イオンに於ける電荷分布、即ち、分子・イオンを構成している各原子の電荷量を推定する目的で、量子化学計算法による構造最適化演算を用いて分子・イオンの構造を推定する場合、「背景技術」及び「発明が解決しようとする課題」に於いて記載されている如く、実際の分子・イオンが最も高い確率で取っている構造は、エネルギーの最も低い局所安定構造である最安定構造となるので、最も好適には、分子・イオンの最安定構造の検出が試みられる。しかしながら、従前、量子化学計算法による分子・イオンの最安定構造の検出は、特に、対象となる分子・イオンに関する実験的な情報を考慮しない演算を実行する非経験的な(ab initio)量子化学計算法による場合には、演算量が莫大で、演算の実施者に多大な手間、労力、計算費用及び時間を要するものであった。
Overview of conventional methods for calculating the structure and charge distribution of molecules or ions Quantum chemical calculation for the purpose of estimating the charge distribution of a molecule or ion , that is, the charge amount of each atom constituting the molecule or ion When estimating the structure of a molecule / ion using the structure optimization calculation by the method, the actual molecule / ion is the highest as described in “Background Art” and “Problems to be Solved by the Invention” Since the structure taken with probability is the most stable structure which is the local stable structure having the lowest energy, the detection of the most stable structure of molecules and ions is most preferably attempted. However, in the past, detection of the most stable structure of molecules and ions by quantum chemical calculation methods, in particular, ab initio quantum chemistry that performs operations that do not consider experimental information about the molecules and ions of interest. In the case of the calculation method, the amount of calculation is enormous, and it requires a lot of labor, labor, calculation cost and time for the operator.

図5は、上記の如き従来の技術に於ける量子化学計算法による構造最適化演算により分子・イオンの最安定構造を決定して分子・イオンの電荷分布を算定する際の処理過程の典型的な例を示している。同図を参照して、従来の技術に於ける処理過程では、まず、実施者は、対象となる分子・イオンの化学構造式から分子・イオンの概略構造、即ち、分子・イオン内の原子種、各原子の位置、原子間の結合の位置、種類及び向き等の情報を概ね決定し、その構造を表す情報を量子化学計算を実行するコンピュータに入力し(ステップ10)、しかる後、最初の、密度汎関数法による構造最適化(ステップ20)、分子軌道法による構造最適化(ステップ30)が実行され、概略構造に近い局所安定構造が決定される。かかる最初の量子化学計算は、予備的な構造最適化であり、実施者によるフリーハンドで設定された分子・イオンの概略構造をより現実的な構造に修正するためのものである。次に、かくして得られた分子・イオンの構造を基に、その分子・イオンに於いて可能な配座異性体の探索が為される(ステップ40)。かかる配座異性体の探索に於いては、実験に基づく情報や化学的な知見に基づいてもっともらしい配座異性体が検出又は決定されるか、分子力学的又は分子動力学的手法を用いて可能な配座異性体の全てが検出又は決定される。そして、ステップ40に於いて見つかった配座異性体から、一つずつ配座異性体を選択して(ステップ45)、その配座異性体の構造に対する密度汎関数法による構造最適化(ステップ50)、分子軌道法による構造最適化(ステップ60)が実行され、全ての配座異性体についての局所安定構造がまず決定され(ステップ70)、更に、全ての配座異性体の局所安定構造のうち、最もエネルギーの低い局所安定構造が最安定構造であると決定される(ステップ80)。かくして、最安定構造が決まると、その構造に於ける各原子の電荷量、即ち、電荷分布が算出される(ステップ90)。   FIG. 5 shows a typical processing process in calculating the charge distribution of molecules and ions by determining the most stable structure of molecules and ions by the structure optimization operation by the quantum chemical calculation method in the conventional technique as described above. An example is shown. Referring to the figure, in the processing process in the prior art, first, the practitioner determines the approximate structure of the molecule / ion, that is, the atomic species in the molecule / ion, from the chemical structural formula of the target molecule / ion. The information on the position of each atom, the position of the bond between atoms, the type and orientation is generally determined, and the information representing the structure is input to a computer that performs quantum chemical calculation (step 10). Then, structure optimization by the density functional method (step 20) and structure optimization by the molecular orbital method (step 30) are executed, and a local stable structure close to the general structure is determined. The first quantum chemistry calculation is preliminary structural optimization, and is intended to correct the rough structure of molecules / ions set by the practitioner to a more realistic structure. Next, based on the structure of the molecule / ion thus obtained, a search for possible conformers in the molecule / ion is performed (step 40). In searching for such conformers, plausible conformers are detected or determined based on experimental information and chemical knowledge, or using molecular dynamics or molecular dynamics techniques. All possible conformers are detected or determined. Then, the conformers are selected one by one from the conformers found in step 40 (step 45), and the structure is optimized by the density functional method for the structure of the conformers (step 50). ), Molecular orbital structure optimization (step 60) is performed, local stable structures for all conformers are first determined (step 70), and the local stable structures of all conformers are further determined. Of these, the local stable structure having the lowest energy is determined to be the most stable structure (step 80). Thus, when the most stable structure is determined, the charge amount of each atom in the structure, that is, the charge distribution is calculated (step 90).

即ち、上記の如き従来の技術に於ける処理過程に於いては、密度汎関数法及び/又は分子軌道法による構造最適化演算が、対象となる分子・イオンに於いて可能な全ての配座異性体の数に等しい回数にて実行されることとなり、配座異性体の数が多ければ多いほど、演算量がより莫大な量となる。また、個々の構造最適化演算に於いて、計算が収束しないとき(ステップ25、35、55、65)、例えば、一つの構造についての波動関数の解を算出する際、或いは、エネルギーの極小値を算出する際の反復演算に於いて、値が収束しないときには、個々の構造最適化演算に於ける計算条件(収束条件又は入力構造(構造の初期値))の変更(ステップ27、37、57、67)を行って、構造最適化演算を繰り返す必要があるところ、上記の従来の技術に於ける処理過程に於いては、しばしば、特に、構造最適化演算を実行する際に入力される初期構造が適切でない場合に、計算が収束しなかったり、或いは、演算の対象となっている配座異性体についての局所安定構造又は最安定構造から離れた構造に収束してしまうといった事態が生じ、その都度、計算条件を試行錯誤により変更するといった手間と労力が必要であった。即ち、上記の従来の技術に於ける手法では、或る一つの分子・イオンの最安定構造の検出に最終的に至るまでに量子化学計算法による構造最適化演算を何度も繰り返す必要があり、また、量子化学計算法による構造最適化演算の回数を低減するためには、その演算に入力されるべき初期構造を適切に設定すべきところ、その初期構造の設定に試行錯誤による手間及び労力又は熟練した知識又は技術を要するものであった。   That is, in the processing process in the conventional technique as described above, the structure optimization calculation by the density functional method and / or the molecular orbital method can be performed for all the conformations possible in the target molecule / ion. The number of isomers will be executed, and the greater the number of conformers, the greater the amount of computation. Also, when the calculation does not converge in each structure optimization operation (steps 25, 35, 55, 65), for example, when calculating a wave function solution for one structure, or the minimum value of energy When the value does not converge in the iterative calculation when calculating the value, the calculation condition (convergence condition or input structure (initial value of the structure)) in each structure optimization calculation is changed (steps 27, 37, 57). 67) to repeat the structure optimization operation. In the processing steps in the above-described conventional technique, the initial stage input when executing the structure optimization operation is often used. When the structure is not appropriate, the calculation does not converge, or the conformational isomer that is the target of the calculation converges to a structure that is far from the local stable structure or the most stable structure. Flip, each time, time and labor such as the calculation conditions changed by trial and error is required. That is, in the above-described conventional technique, it is necessary to repeat the structure optimization operation by the quantum chemical calculation method many times before finally reaching the detection of the most stable structure of one molecule / ion. In addition, in order to reduce the number of structural optimization operations by the quantum chemistry calculation method, the initial structure to be input to the operation should be set appropriately. Or it required skillful knowledge or skill.

本発明による分子又はイオンの構造・電荷分布の算出方法の概要
上記の如く従来の分子又はイオンの構造・電荷分布の算出方法は、演算量が莫大で、演算の実施者に多大な手間、労力、計算費用及び時間を要するものであったところ、「発明が解決しようとする課題」に於いて触れた如く、本発明の発明者は、種々の演算実験を試みた研究開発の過程に於いて、量子化学計算法による構造最適化演算に入力される初期構造として、分子・イオンの化学構造式から決定される概略構造に於いて電荷平衡法(非特許文献2)を適用して分子・イオン内の各原子に電荷量を割り付けた構造(電荷割付構造)を分子力場計算法(例えば、非特許文献3)により構造最適化して得られる構造を用いると、殆どの場合、密度汎関数法及び/又は分子軌道法による構造最適化演算を一回実行して得られた局所安定構造が、分子・イオンの最安定構造となっているか、擬似最安定構造、即ち、最安定構造に於ける電荷分布と略同様であるとみなすことのできる電荷分布を有する局所安定構造となっていることを見出した。また、上記の如き電荷平衡法による電荷量の割り付けられた構造を分子力場計算法によって構造最適化して得られる構造を量子化学計算法の構造最適化演算のための初期構造として用いるときには、殆どの場合、計算の収束性も良かった。
Overview of Calculation Method of Molecular / Ion Structure / Charge Distribution According to the Present Invention As described above, the conventional calculation method of molecular / ion structure / charge distribution has a huge amount of calculation and requires a lot of labor and labor for the operator. However, as mentioned in "Problems to be solved by the invention", the inventor of the present invention has been involved in the process of research and development in which various arithmetic experiments were attempted. As an initial structure input to the structure optimization calculation by the quantum chemical calculation method, the charge-balance method (Non-patent Document 2) is applied to the approximate structure determined from the chemical structure formula of the molecule / ion. When a structure obtained by optimizing a structure in which a charge amount is assigned to each atom (charge assignment structure) by a molecular force field calculation method (for example, Non-Patent Document 3) is used, in most cases, a density functional method is used. And / or molecular orbital method The local stable structure obtained by executing the structure optimization operation once is the most stable structure of molecules and ions, or the pseudo-stable structure, that is, almost the same as the charge distribution in the most stable structure. It has been found that the structure has a local stable structure having a charge distribution that can be regarded as being. In addition, when the structure obtained by optimizing the structure to which the charge amount is assigned by the charge balance method as described above by the molecular force field calculation method is used as the initial structure for the structure optimization operation of the quantum chemical calculation method, In the case of, the convergence of the calculation was also good.

そこで、本発明に於いては、上記の知見を利用して、量子化学計算法による構造最適化演算の初期構造として、上記の如き電荷平衡法により算出された電荷量の割り付けられた電荷割付構造を分子力場計算法により構造最適化して得られる構造を用いた新規な方法が提案される。かかる本発明の方法に於いては、概して述べれば、演算の実施者により対象となる分子・イオンの化学構造式からその概略的な立体構造(概略構造)が設定された後、概略構造に対して、電荷平衡法、分子力場計算法による構造最適化、密度汎関数法による構造最適化及び/又は分子軌道法による構造最適化が順に実行され、分子・イオンの擬似最安定構造又は最安定構造である局所安定構造が検出される。その際、殆どの場合、密度汎関数法による構造最適化及び分子軌道法による構造最適化は、前記の電荷割付構造を分子力場計算法により構造最適化して得られる構造に対して実行するだけでよい。なお、分子軌道法による構造最適化に先だって密度汎関数法による構造最適化を実行する理由は、既に触れた如く、密度汎関数法は、分子軌道法に比して、演算結果の精度は低いが、収束性がよく、少ない演算量にて電子の状態を算出することが可能であるので、密度汎関数法により或る程度構造を絞り込んでから分子軌道法で更により精度の高い構造を算定するという手順にすることにより、最終的に分子軌道法による結果が望まれる場合にも、構造最適化演算の演算負荷が軽減されるためである。従って、任意に密度汎関数法による構造最適化は省略されてよい。また、逆に、最終的に望まれる結果の精度が、密度汎関数法による結果の精度で十分であるときには、分子軌道法による構造最適化は省略されてよい。以下、本発明による分子又はイオンの構造・電荷分布の算出方法をより詳細に説明する。   Therefore, in the present invention, using the above knowledge, as the initial structure of the structure optimization calculation by the quantum chemical calculation method, the charge allocation structure to which the charge amount calculated by the charge balance method as described above is assigned. A novel method using a structure obtained by optimizing the structure by molecular force field calculation is proposed. In the method of the present invention, generally speaking, after a general three-dimensional structure (schematic structure) is set from the chemical structure formula of the target molecule / ion by the operator, Then, the charge equilibrium method, the structure optimization by the molecular force field calculation method, the structure optimization by the density functional method, and / or the structure optimization by the molecular orbital method are sequentially executed, and the quasi-most stable structure or the most stable structure of the molecule / ion A local stable structure that is a structure is detected. At that time, in most cases, the structure optimization by the density functional method and the structure optimization by the molecular orbital method are performed only on the structure obtained by optimizing the charge allocation structure by the molecular force field calculation method. It's okay. In addition, as already mentioned, the reason for executing the structure optimization by the density functional method prior to the structure optimization by the molecular orbital method is that the accuracy of the calculation result is lower than that of the molecular orbital method. However, since it has good convergence and it is possible to calculate the state of electrons with a small amount of computation, the structure is further refined by the molecular orbital method after narrowing down the structure to some extent by the density functional method. This is because the calculation load of the structure optimization calculation can be reduced even if the result of the molecular orbital method is finally desired by adopting the procedure to do. Therefore, the structure optimization by the density functional method may be omitted arbitrarily. On the other hand, when the accuracy of the finally desired result is sufficient by the accuracy of the result by the density functional method, the structure optimization by the molecular orbital method may be omitted. Hereinafter, the calculation method of the structure / charge distribution of molecules or ions according to the present invention will be described in more detail.

本発明による分子又はイオンの構造・電荷分布の算出方法の処理過程
図2は、本発明による量子化学計算法による構造最適化演算により分子・イオンの最安定構造又は擬似最安定構造である局所安定構造を決定して分子又はイオンの電荷分布を算出する際の処理過程の典型的な例を示したものであり、図3は、その過程に於いて得られる分子の構造の例を模式的に示したものである。
FIG. 2 shows the process of calculating the structure / charge distribution of the molecule or ion according to the present invention . FIG. 2 shows the local stability of the most stable structure or pseudo-most stable structure of the molecule / ion by the structure optimization calculation by the quantum chemical calculation method according to the present invention. FIG. 3 schematically shows an example of the structure of a molecule obtained in the process when the structure is determined and the charge distribution of the molecule or ion is calculated. It is shown.

図2及び図3を参照して、本発明による方法に於いては、まず、従来の方法と同様に、対象となる分子・イオンの化学構造式から分子・イオンの概略的な立体構造(概略構造)を構成し(ステップ100)、コンピュータ装置1(図1)に入力する。かかる概略構造は、分子・イオン内の原子種、各原子の位置、原子間の結合の位置、種類及び向き等のパラメータ値にて定められるところ、典型的には、コンピュータ装置1にて起動されるプログラムに於けるGUI(グラフィカルユーザインタフェース)を用いて入力されてよい。その場合、実施者は、概略構造に於けるパラメータ値を直接入力するのではなく、コンピュータ端末2のモニター3上にて、分子・イオン内の各原子の種類を指定しながら原子と結合を配置する(図3(a))。概略構造を構成する際に使用するプログラムとしては、例えば、アクセルリス(Accelrys)社製のMaterials Studio(登録商標) Ver.2以降のVisualizerなどが利用可能である。   Referring to FIGS. 2 and 3, in the method according to the present invention, first, as in the conventional method, the schematic three-dimensional structure of molecule / ion (schematically) Structure) (step 100) and input to the computer apparatus 1 (FIG. 1). Such a general structure is determined by parameter values such as atomic species in molecules / ions, positions of respective atoms, positions, types and orientations of bonds between atoms. It may be input using a GUI (graphical user interface) in the program. In this case, the practitioner does not directly input the parameter value in the schematic structure, but arranges atoms and bonds on the monitor 3 of the computer terminal 2 while specifying the type of each atom in the molecule / ion. (FIG. 3A). As a program used to configure the schematic structure, for example, Visualizer of Materials Studio (registered trademark) Ver. 2 or later manufactured by Accelrys can be used.

次いで、上記の如く構成された概略構造に対して、電荷平衡法を実行して構造内の各原子に対する電荷量の割付が実行される(ステップ110)。電荷平衡法では、端的に述べれば、入力された分子・イオンの立体構造に於いて全ての原子の電気陰性度が等しいという条件と全原子上の電荷の和が分子全体の電荷に等しいという条件とから得られる各原子の電荷量の連立方程式を解くことにより、分子・イオン内の各原子の電荷量が算出される(非特許文献2)。具体的な演算は、前記のVisualizerに付属のCharge設定機能、ガウシアン(Gaussian)社製のGaussian(登録商標)03に付随の電荷平衡法プログラムを利用して実行されてよい。かくして、電荷平衡法が実行されると、概略構造に於いて、その立体構造を定める前記のパラメータ値に加えて、各原子に於ける電荷量が指定された状態の「電荷割付構造」が生成される。なお、電荷平衡法の適用の前後に於いて、概略構造に対して簡易的な分子力場計算法(例えば、アクセルリス(Accelrys)社製のMaterials Studio(登録商標) Ver.2以降のcleanなど)による構造最適化が適用され、概略構造内の原子の位置や結合の角度などが修正されてもよい(図3(b))。また、電荷平衡法に於いては、分子・イオンの本来の価数、即ち、分子・イオンが通常取り得る価数に対して、更に電子を付加又は除去したラジカル状態の分子・イオンに対しても、電荷量の割り付けが可能であるところ、ラジカル状態の分子・イオンについては、後に説明される量子化学計算法の構造最適化演算を実行した場合、最安定構造又は擬似最安定構造を得ることはできなかった。そこで、ステップ110の電荷平衡法の適用後、分子・イオンの本来の価数と電荷割付構造に於ける分子・イオンの価数とが等しいか否かを判定し、一致しているときのみ、後の処理を実行するようになっていてよい(ステップ120)。電荷割付構造に於ける分子・イオンの価数は、電荷平衡法の開始時に設定されるところ、上記の構成によれば、誤って分子・イオンの本来の価数とは異なる価数を設定した場合に、無駄に量子化学計算法の構造最適化演算を実行することが回避される。   Next, the charge balance method is executed on the schematic structure configured as described above to assign a charge amount to each atom in the structure (step 110). In short, in the charge balance method, the condition that the electronegativity of all atoms is equal in the three-dimensional structure of the input molecule / ion and the condition that the sum of charges on all atoms is equal to the charge of the whole molecule. The charge amount of each atom in the molecule / ion is calculated by solving the simultaneous equation of the charge amount of each atom obtained from (Non-patent Document 2). The specific calculation may be executed by using a charge setting method program attached to the Charge setting function attached to the Visualizer, Gaussian (registered trademark) 03 manufactured by Gaussian, Inc. Thus, when the charge balance method is executed, in the schematic structure, in addition to the parameter values that define the three-dimensional structure, a “charge allocation structure” in which the charge amount at each atom is specified is generated. Is done. In addition, before and after the application of the charge balance method, a simple molecular force field calculation method for the general structure (for example, clean of Materials Studio (registered trademark) Ver. 2 or later manufactured by Accelrys) ) Structure optimization may be applied to correct the position of atoms in the general structure, the bond angle, and the like (FIG. 3B). In the charge balance method, the original valence of the molecule / ion, that is, the valence that the molecule / ion can normally take, and the molecule / ion in the radical state in which electrons are added or removed. However, if the charge amount can be assigned, the most stable structure or pseudo-most stable structure can be obtained for the molecules and ions in the radical state when the structure optimization operation of the quantum chemical calculation method described later is executed. I couldn't. Therefore, after applying the charge balance method of step 110, it is determined whether or not the original valence of the molecule / ion and the valence of the molecule / ion in the charge assignment structure are equal, and only when they match. Subsequent processing may be executed (step 120). In the charge allocation structure, the valence of molecules / ions is set at the start of the charge equilibrium method. According to the above configuration, the valence of molecules / ions is different from the original valence of molecules / ions. In this case, it is avoided to perform the structure optimization operation of the quantum chemical calculation method in vain.

上記の如く形成された電荷割付構造に対して、次に、分子力場計算法による構造最適化演算が適用される(ステップ130)。分子力場計算法では、基本的には、入力される構造に於ける各原子の位置、結合の種類及び向き、電荷量をパラメータとして所定の原子間ポテンシャル関数を用いて分子・イオン内のエネルギーが算出される。そして、その構造最適化演算は、端的に述べれば、分子・イオンの構造(各原子の位置)を徐々に変化させながら分子・イオン内のエネルギーの算出を繰り返し、エネルギーの極小となる構造(局所安定構造)を検出する。本発明の方法では、最初に入力される構造として、上記の電荷割付構造を用い、構造変化とエネルギー算出の処理を繰り返して、エネルギーの極小となる構造(第一の構造最適化構造 図3(c))が検出される。かかる分子力場計算法の構造最適化演算は、通常の態様(例えば、非特許文献3に記載された態様)にて実行されてよく、原子間ポテンシャル関数としては、例えば、universal、dreading、compass26、compass27、pcff、pcff30、cvffなどの原子間のクーロン力の作用又は静電相互作用を考慮したポテンシャル関数が用いられてよい。具体的な演算は、アクセルリス(Accelrys)社製のMaterials Studio(登録商標) Ver.2以降のForcite、富士通株式会社製のMaterial Explorerなどのプログラムを利用して実行されてよい。なお、構造最適化演算に於いて、計算が収束しないとき又は収束してもそのときの構造が最安定構造から大幅に離れていると予想されるときは(ステップ135)、計算条件(収束条件、初期構造)の変更(ステップ137)をして、構造最適化演算が繰り返されてよい。   Next, the structure optimization operation by the molecular force field calculation method is applied to the charge allocation structure formed as described above (step 130). In the molecular force field calculation method, basically, the energy in the molecule / ion is determined using a predetermined interatomic potential function with the position of each atom in the input structure, the type and orientation of the bond, and the charge amount as parameters. Is calculated. The structure optimization operation, in short, repeats the calculation of the energy in the molecule / ion while gradually changing the structure of the molecule / ion (position of each atom), and the structure that minimizes the energy (local Stable structure) is detected. In the method of the present invention, the above-described charge allocation structure is used as the first input structure, and the structure change and energy calculation processes are repeated to minimize the energy (first structure optimization structure FIG. c)) is detected. The structure optimization operation of the molecular force field calculation method may be executed in a normal mode (for example, a mode described in Non-Patent Document 3). Examples of interatomic potential functions include universal, dreading, and compass26. , Compass27, pcff, pcff30, cvff, etc., a potential function that takes into account the action of Coulomb force between atoms or electrostatic interaction may be used. The specific calculation may be executed using a program such as Forcite of Materials Studio (registered trademark) Ver. 2 or later manufactured by Accelrys, and Material Explorer manufactured by Fujitsu Limited. In the structure optimization operation, when the calculation does not converge or when it is predicted that the structure at that time is far from the most stable structure (step 135), the calculation condition (convergence condition) , The initial structure) may be changed (step 137), and the structure optimization operation may be repeated.

かくして、第一の構造最適化構造が決定されると、かかる構造をそのまま初期構造として、即ち、第一の構造最適化構造に於ける立体構造を指定する各原子の位置、種類、結合の種類及び位置等の値(各原子に割り付けられた電荷量は使用しない。)をそれぞれ対応するパラメータの初期値として用いて、密度汎関数法による構造最適化演算が実行される(ステップ140)。密度汎関数法では、分子・イオン内の各原子の位置、種類、結合の種類及び位置を入力パラメータとして、Kohn-Sham方程式を解くことにより、分子内の電子の軌道関数と軌道エネルギー(分子・イオン内のエネルギー)が算出される。そして、その構造最適化演算は、端的に述べれば、分子・イオンの構造(各原子の位置)を徐々に変化させながら分子・イオン内のエネルギーの算出を繰り返し、エネルギーの極小となる局所安定構造を検出する。具体的な演算は、アクセルリス(Accelrys)社製のMaterials Studio(登録商標) Ver.2以降のDmol3[Dmol3の使用時の汎関数の設定は、例えば、GGA/PW91、GGA/BP、GGA/PBE、GGA/BYLP、GGA/BOP、GGA/VWN−BP、GGA/RPBE、GGA/HCTH、LDA/PWC、LDA/VWNなどであってよく、基底関数は適宜選択されてよい。]、ガウシアン(Gaussian)社製のGaussian(登録商標)03[計算条件は、例えば、B3LYPであってよく、基底関数は適宜選択されてよい。]、GAMESS社のフリーソフトなどのプログラムを利用して実行されてよい。なお、構造最適化演算に於いて、計算が収束しないとき又は収束してもそのときの構造が最安定構造から大幅に離れていると予想されるときは(ステップ145)、計算条件(収束条件、初期構造)の変更(ステップ147)をして、構造最適化演算が繰り返されてよい。この密度汎関数法の構造最適化演算によって第一の構造最適化構造に於ける各原子の位置がより高精度にて修正され、その結果として得られた局所安定構造が、第二の構造最適化構造(図3(d))となる。   Thus, when the first structure optimization structure is determined, this structure is used as it is as the initial structure, that is, the position, type, and bond type of each atom that designates the three-dimensional structure in the first structure optimization structure. Then, a structure optimization operation by the density functional method is executed using values such as position and the like (the amount of charge assigned to each atom is not used) as the initial values of the corresponding parameters (step 140). In density functional theory, the position and type of each atom in a molecule / ion, the type and position of a bond are used as input parameters to solve the Kohn-Sham equation. Energy in ions) is calculated. In short, the structure optimization operation repeats the calculation of the energy in the molecule / ion while gradually changing the structure of the molecule / ion (position of each atom), and the local stable structure that minimizes the energy. Is detected. The specific calculation is Dmol3 of Materials Studio (registered trademark) Ver. 2 or later manufactured by Accelrys, Inc. [Functional settings when using Dmol3 are, for example, GGA / PW91, GGA / BP, GGA / PBE, GGA / BYLP, GGA / BOP, GGA / VWN-BP, GGA / RPBE, GGA / HCTH, LDA / PWC, LDA / VWN, etc. may be used, and the basis functions may be selected as appropriate. ] Gaussian (registered trademark) 03 manufactured by Gaussian, Inc. [The calculation condition may be, for example, B3LYP, and the basis function may be appropriately selected. ], And may be executed using a program such as GAMESS free software. In the structure optimization calculation, when the calculation does not converge or when it is predicted that the structure at that time is far from the most stable structure (step 145), the calculation condition (convergence condition) , The initial structure) may be changed (step 147), and the structure optimization operation may be repeated. This density functional theory structure optimization operation corrects the position of each atom in the first structure-optimized structure with higher accuracy, and the resulting local stable structure becomes the second structure-optimized structure. The resulting structure (FIG. 3D).

次いで、上記の如く得られた第二の構造最適化構造は、そのまま分子軌道法による構造最適化演算の初期構造として、即ち、第二の構造最適化構造に於ける各原子の位置、種類、結合の種類及び位置等の値が分子軌道法による構造最適化演算に於けるそれぞれ対応するパラメータの初期値として用いられる(ステップ150)。ここでの分子軌道法は、ab initio分子軌道法であり、かかる分子軌道法では、端的に述べれば、分子・イオン内の各原子の位置、種類、結合の種類及び位置を入力パラメータとして、シュレディンガー方程式を解くことにより、分子内の電子の軌道関数と軌道エネルギー(分子・イオン内のエネルギー)が算出される。そして、その構造最適化演算は、分子・イオンの構造(各原子の位置)を徐々に変化させながら分子・イオン内のエネルギーの算出を繰り返し、エネルギーの極小となる局所安定構造を検出する。具体的な演算は、ガウシアン(Gaussian)社製のGaussian(登録商標)03[計算条件は、例えば、HF、MP2であってよく、基底関数は適宜選択されてよい。]、GAMESS社のフリーソフトなどのプログラムを利用して実行されてよい。なお、構造最適化演算に於いて、計算が収束しないとき又は収束してもそのときの構造が最安定構造から大幅に離れていると予想されるときは(ステップ155)、計算条件(収束条件、初期構造)の変更(ステップ157)をして、構造最適化演算が繰り返されてよい。また、密度汎関数法による構造最適化演算が省略される場合には、第一の構造最適化構造がそのまま分子軌道法による構造最適化演算の初期構造として用いられる。更に、上記の分子軌道法による構造最適化演算により得られた構造に対して更に溶媒効果を導入した分子軌道法による構造最適化演算を実行して、分子軌道法による構造最適化演算の結果の精度を向上するようにしてもよい。   Next, the second structure optimization structure obtained as described above is directly used as an initial structure of the structure optimization calculation by the molecular orbital method, that is, the position, type, and the like of each atom in the second structure optimization structure. Values such as the type and position of the bond are used as initial values of the corresponding parameters in the structure optimization calculation by the molecular orbital method (step 150). The molecular orbital method here is an ab initio molecular orbital method. In brief, the molecular orbital method uses the position, type, bond type and position of each atom in the molecule / ion as input parameters. By solving the equation, the orbital function of the electrons in the molecule and the orbital energy (energy in the molecule / ion) are calculated. Then, the structure optimization calculation repeatedly calculates the energy in the molecule / ion while gradually changing the structure of the molecule / ion (position of each atom) to detect a local stable structure where the energy is minimized. The specific calculation is Gaussian (registered trademark) 03 manufactured by Gaussian, Inc. [The calculation conditions may be, for example, HF and MP2, and the basis functions may be appropriately selected. ], And may be executed using a program such as GAMESS free software. In the structure optimization calculation, when the calculation does not converge or when it is predicted that the structure at that time is far from the most stable structure (step 155), the calculation condition (convergence condition) , The initial structure) may be changed (step 157), and the structure optimization operation may be repeated. When the structure optimization calculation by the density functional method is omitted, the first structure optimization structure is used as it is as the initial structure of the structure optimization calculation by the molecular orbital method. Furthermore, the structure optimization calculation by the molecular orbital method is performed on the structure obtained by the structure optimization calculation by the molecular orbital method, and the solvent effect is further introduced. The accuracy may be improved.

上記の分子軌道法による構造最適化演算により得られた局所安定構造(図3(e))は、後に説明される実施例に於いて見られる如く、対象となる分子・イオンの最安定構造となっているか、或いは、最安定構造の電荷分布と略同様であるとみなすことのできる電荷分布を有する擬似最安定構造となっている。特に、検出された局所安定構造が擬似最安定構造である場合について、計算実験によれば、かかる擬似最安定構造と(従来の方法で得られた)最安定構造に於けるエネルギーの差は、約1kcal/mol程度であるので、擬似最安定構造は、最安定構造に近い構造であり、また、一般的な実験の誤差が数kcal/mol程度であることを考慮すると、「背景技術」の欄で述べた非水電解質二次電池に使用されるイオン液体のカチオンの有用性の評価の例の如く、分子・イオン内の電荷分布について定性的に評価する場合には、前記の擬似最安定構造と最安定構造に於けるエネルギーの差は、実質的に支障のない程度である。   The local stable structure (FIG. 3 (e)) obtained by the structure optimization calculation by the molecular orbital method described above is the most stable structure of the target molecule / ion, as will be seen in examples described later. Or a pseudo-most stable structure having a charge distribution that can be considered to be substantially the same as the charge distribution of the most stable structure. Particularly, when the detected local stable structure is a quasi-most stable structure, according to a calculation experiment, the energy difference between the quasi-most stable structure and the most stable structure (obtained by the conventional method) is Since it is about 1 kcal / mol, the quasi-most stable structure is a structure close to the most stable structure, and considering that the error of a general experiment is about several kcal / mol, When qualitatively evaluating the charge distribution in molecules and ions, as in the example of the evaluation of the usefulness of the cation of the ionic liquid used in the non-aqueous electrolyte secondary battery described in the column, the above pseudo-stable The difference in energy between the structure and the most stable structure is substantially insignificant.

かくして、上記の如く分子軌道法による構造最適化演算により得られた局所安定構造(即ち、最安定構造か擬似最安定構造)に於ける各原子の電荷量(部分原子電荷)が算出される(ステップ160)。各原子の電荷量は、端的に述べれば、前記の最安定構造又は擬似最安定構造となっている局所安定構造に於いて計算されるMulliken電子密度を各原子に割り付ける手法(マリケン電荷解析)により算定されてよい。なお、分子軌道法による構造最適化演算が省略される場合には、密度汎関数法による構造最適化演算によって得られた第二の構造最適化構造に於いて計算されるMulliken電子密度を各原子に割り付けて各原子の電荷量が算出されてよい。具体的な演算は、ガウシアン(Gaussian)社製のGaussian(登録商標)03、GAMESS社のフリーソフトなどのプログラムを利用して実行されてよい。   Thus, the charge amount (partial atomic charge) of each atom in the local stable structure (that is, the most stable structure or the pseudo-most stable structure) obtained by the structure optimization operation by the molecular orbital method as described above is calculated ( Step 160). In short, the charge amount of each atom is determined by a method (Malken charge analysis) in which the Mulliken electron density calculated in the local stable structure which is the most stable structure or the pseudo-most stable structure is assigned to each atom. May be calculated. When the structure optimization calculation by the molecular orbital method is omitted, the Mulliken electron density calculated in the second structure optimization structure obtained by the structure optimization calculation by the density functional method is calculated for each atom. And the charge amount of each atom may be calculated. The specific calculation may be executed using a program such as Gaussian (registered trademark) 03 manufactured by Gaussian or free software manufactured by GAMESS.

以上の如く、上記の本発明による分子又はイオンの構造・電荷分布の算出方法に於いては、まず、対象となる分子又はイオンの概略構造に於いて各原子に電荷平衡法により算出された電荷量が割り付けられた電荷割付構造を生成し、その電荷割付構造が分子力場計算法により構造最適化される。この処理は、対象となる分子又はイオンの立体構造に対して高精度に各原子の電荷量を算出する密度汎関数法及び/又は分子軌道法による構造最適化演算を実行する前に、その対象となる立体構造に於ける各原子に比較的演算負荷の低い電荷平衡法により概算的に算出される電荷量を仮に割り付けた状態にて、分子力場計算法による構造最適化演算を用いて、その対象となる立体構造を或る程度絞り込む操作、即ち、対象となる立体構造を最安定構造に或る程度近い構造まで変化させておく操作に相当する。しかる後、前記の最安定構造に近くなった対象となる分子又はイオンの立体構造を初期構造として密度汎関数法及び/又は分子軌道法による構造最適化演算を実行して得られた局所安定構造は、殆どの場合、分子・イオン内の電荷分布についての評価に利用可能な最安定構造又は擬似最安定構造となっており、従前に比して、短時間にて分子・イオン内の電荷分布を算出することが可能となる。換言すれば、本発明の方法に於いては、密度汎関数法及び/又は分子軌道法による構造最適化演算のための適切な初期構造が、比較的演算負荷の小さい電荷平衡法と分子力場計算法による構造最適化演算とを用いて設定され、これにより、最安定構造又はそれに近い擬似最安定構造の検出が速やかに達成されることとなる。特に、本発明に於いては、従前では、試行錯誤などにより手間のかかっていた密度汎関数法及び/又は分子軌道法による構造最適化演算のための初期構造の決定に於ける操作が簡単なので、演算実施者の労力は大幅に軽減される。また、本発明による方法に於いては、図5に例示された従前の方法の如く分子・イオン内の配座異性体の探索及び探索された全ての配座異性体についての局所安定構造の検出の処理を実行する必要がないため、演算量及び演算時間は、従前に比して大幅に短縮される。   As described above, in the calculation method of the structure or charge distribution of the molecule or ion according to the present invention, first, the charge calculated by the charge balance method for each atom in the schematic structure of the molecule or ion of interest. A charge assignment structure with assigned quantities is generated, and the charge assignment structure is optimized by a molecular force field calculation method. This processing is performed before the structure optimization operation by the density functional method and / or the molecular orbital method for calculating the charge amount of each atom with high accuracy for the three-dimensional structure of the target molecule or ion. Using the structure optimization calculation by the molecular force field calculation method, with the amount of charge roughly calculated by the charge balance method with a relatively low calculation load assigned to each atom in the three-dimensional structure to be This corresponds to an operation of narrowing the target three-dimensional structure to some extent, that is, an operation of changing the target three-dimensional structure to a structure that is close to the most stable structure. Thereafter, the local stable structure obtained by executing the structure optimization operation by the density functional method and / or the molecular orbital method with the three-dimensional structure of the target molecule or ion close to the most stable structure as an initial structure. In most cases, it has the most stable structure or pseudo-most stable structure that can be used for evaluation of charge distribution in molecules and ions, and the charge distribution in molecules and ions in a shorter time than before. Can be calculated. In other words, in the method of the present invention, the appropriate initial structure for the structure optimization calculation by the density functional method and / or the molecular orbital method is the charge balance method and the molecular force field with a relatively small calculation load. It is set using a structure optimization operation by a calculation method, and thereby, the detection of the most stable structure or a pseudo-most stable structure close thereto is quickly achieved. In particular, in the present invention, the operation in the determination of the initial structure for the structure optimization operation by the density functional method and / or the molecular orbital method, which has been troublesome by trial and error in the past, is easy. The labor of the operator is greatly reduced. Further, in the method according to the present invention, as in the previous method illustrated in FIG. 5, the search for conformational isomers in molecules and ions and the detection of local stable structures for all searched conformers. Since it is not necessary to execute the process, the amount of calculation and the calculation time are greatly reduced as compared with the prior art.

上記に説明した本発明の有効性を検証するために、以下の如き計算実験を行った。なお、以下の実施例は、本発明の有効性を例示するものであって、本発明の範囲を限定するものではないことは理解されるべきである。   In order to verify the effectiveness of the present invention described above, the following calculation experiment was performed. It should be understood that the following examples illustrate the effectiveness of the present invention and do not limit the scope of the present invention.

多原子イオンの電荷分布の算出
本実施例に於いては、例として、種々の多原子カチオンについて、本発明の方法に従って算出されたイオン内の電荷分布と、従前の方法に従って算出されたイオン内の電荷分布とを比較した。
Calculation of charge distribution of polyatomic ions In this embodiment, for example, for various polyatomic cations, the charge distribution in ions calculated according to the method of the present invention and the ion distribution calculated according to the previous method are described. The charge distribution was compared.

本発明の方法による場合には、処理手順は、以下の通りとした。
(1)アクセルリス社製のMaterials Studio(登録商標) Ver.2のVisualizerを用いて、イオンの化学構造式に基づいてイオン内の原子の位置、種類、結合の位置を指定してイオンの概略構造を構成し、Visualizerに付属のCharge設定機能を用いて電荷平衡法による各原子への電荷量の割付を行い、電荷割付構造を作成した。
(2)アクセルリス社製のMaterials Studio(登録商標) Ver.2のForciteを用いて、(1)にて作成された電荷割付構造に対し、分子力場計算法による構造最適化演算を実行して、第一の構造最適化構造を生成した。原子間ポテンシャル関数は、universalとした。
(3)上記の第一の構造最適化構造に対して、アクセルリス社製のMaterials Studio(登録商標) Ver.2のDmol3を用いて、密度汎関数法による構造最適化演算を実行して、第二の構造最適化構造を生成した。密度汎関数法に於ける汎関数の設定は、GGA/PW91とし、基底関数は、DNPとした。
(4)上記の第二の構造最適化構造に対して、ガウシアン社製のGaussian(登録商標)03を用いて、分子軌道法による構造最適化演算を実行して、局所安定構造を生成した。計算法は、HF(ハートレーフォック)法とし、基底関数は、6−31Gとした。
(5)(4)で得られた局所安定構造に対して、更に、ガウシアン社製のGaussian(登録商標)03を用いて、溶媒効果を導入した分子軌道法による構造最適化演算を実行して、局所安定構造を生成した。計算法は、HF(ハートレーフォック)法とし、基底関数は、6−31Gとした。
(6)Gaussian(登録商標)03の電子密度解析機能を用いて、(5)で得られた最安定構造又は擬似最安定構造に於ける各原子の電荷量を算出した。
In the case of the method of the present invention, the processing procedure was as follows.
(1) Using the Visualizer of Materials Studio (registered trademark) Ver.2 manufactured by Accelrys Inc., specify the position, type, and position of the atoms in the ion based on the chemical structure of the ion, and outline the ion. A charge assignment structure was created by configuring the structure and assigning the amount of charge to each atom by the charge balance method using the Charge setting function attached to Visualizer.
(2) Using the Forcite of Materials Studio (registered trademark) Ver.2 manufactured by Accelrys Inc., execute the structure optimization calculation by the molecular force field calculation method for the charge allocation structure created in (1) The first structure optimized structure was generated. The interatomic potential function is universal.
(3) For the first structure optimization structure, using Accelrys Materials Studio (registered trademark) Ver.2 Dmol3, execute a structure optimization operation by density functional method, A second structure optimized structure is generated. The functional setting in the density functional method was GGA / PW91, and the basis function was DNP.
(4) Using the Gaussian (registered trademark) 03 made by Gaussian Co., Ltd., a structure optimization operation by a molecular orbital method was executed on the second structure optimized structure, thereby generating a local stable structure. The calculation method was the HF (Hartley Fock) method, and the basis function was 6-31G.
(5) Further, on the local stable structure obtained in (4), Gaussian (registered trademark) 03 manufactured by Gaussian Co., Ltd. is used to execute a structure optimization operation by a molecular orbital method in which a solvent effect is introduced. Produced a local stable structure. The calculation method was the HF (Hartley Fock) method, and the basis function was 6-31G.
(6) Using the electron density analysis function of Gaussian (registered trademark) 03, the charge amount of each atom in the most stable structure or pseudo-most stable structure obtained in (5) was calculated.

一方、従来の方法による場合には、処理手順は、以下の通りとした。
(1)アクセルリス社製のMaterials Studio(登録商標) Ver.2のVisualizerを用いて、イオンの化学構造式に基づいてイオン内の原子の位置、種類、結合の位置を指定してイオンの概略構造を構成した。
(2)(1)にて作成された概略構造に対して、アクセルリス社製のMaterials Studio(登録商標) Ver.2のDmol3を用いて、密度汎関数法による構造最適化演算を実行して、局所安定構造を生成した。密度汎関数法に於ける汎関数の設定は、GGA/PW91とし、基底関数は、DNPとした。
(3)(2)で得られた局所安定構造に対して、更に、ガウシアン社製のGaussian(登録商標)03を用いて、密度汎関数法による構造最適化演算を実行して、局所安定構造を生成した。密度汎関数法に於ける計算条件は、B3LYP/6−31Gとした。
(4)(3)で得られた局所安定構造に対して、コンフレックス社製のCONFLEXv6.1.2を用いて、分子力場法を実行し、配座異性体の探索を行った。
(5)(4)で検出された配座異性体の全てについて、ガウシアン社製のGaussian(登録商標)03を用いて、分子軌道法による構造最適化演算を実行して、局所安定構造を生成した。計算法は、HF(ハートレーフォック)法とし、基底関数は、6−31Gとした。
(6)(4)で検出された配座異性体の全てについての(5)で得られた局所安定構造に対して、更に、ガウシアン社製のGaussian(登録商標)03を用いて、溶媒効果を導入した分子軌道法による構造最適化演算を実行して、局所安定構造を生成した。計算法は、HF(ハートレーフォック)法とし、基底関数は、6−31Gとした。
(7)(4)で検出された配座異性体の全てについての(6)で得られた局所安定構造のうち、最小のエネルギーを有する構造を最安定構造として決定した。
(8)Gaussian(登録商標)03の電子密度解析機能を用いて、(7)で決定された最安定構造に於ける各原子の電荷量を算出した。
On the other hand, in the case of the conventional method, the processing procedure is as follows.
(1) Using the Visualizer of Materials Studio (registered trademark) Ver.2 manufactured by Accelrys Inc., specify the position, type, and position of the atoms in the ion based on the chemical structure of the ion, and outline the ion. Structured.
(2) The structure optimization operation by the density functional method is executed on the rough structure created in (1) using Dmol3 of Materials Studio (registered trademark) Ver.2 manufactured by Accelrys. Produced a local stable structure. The functional setting in the density functional method was GGA / PW91, and the basis function was DNP.
(3) The local stable structure obtained by (2) is further subjected to a structure optimization operation by a density functional method using Gaussian (registered trademark) 03 manufactured by Gaussian Co., Ltd. Was generated. The calculation condition in the density functional method was B3LYP / 6-31G.
(4) The molecular force field method was performed on the local stable structure obtained in (3) using CONFLEX v6.1.2 manufactured by Conflex to search for conformational isomers.
(5) For all of the conformers detected in (4), using Gaussian (registered trademark) 03 made by Gaussian, perform structure optimization by molecular orbital method to generate local stable structures did. The calculation method was the HF (Hartley Fock) method, and the basis function was 6-31G.
(6) For the local stable structure obtained in (5) for all of the conformers detected in (4), further using Gaussian (registered trademark) 03 manufactured by Gaussian, the solvent effect A local stable structure was generated by performing a structure optimization operation by the molecular orbital method with the introduction of. The calculation method was the HF (Hartley Fock) method, and the basis function was 6-31G.
(7) Of the local stable structures obtained in (6) for all of the conformers detected in (4), the structure having the minimum energy was determined as the most stable structure.
(8) Using the electron density analysis function of Gaussian (registered trademark) 03, the charge amount of each atom in the most stable structure determined in (7) was calculated.

図4は、イオン液体のカチオンである(a)トリメチルヘキシルアンモニウム(TMHA+:TriMethylHexylAmmonum)、(b)1−ブチル−4−メチル−ピリジニウム(BMP+:1-butyl-4-methyl-pyridinium chloroaluminate)、(c)1−エチル−3−メチルイミダゾリウム(EMI+:1-Etyl-3-Methyl Imidazolium)、(d)1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウム(DMPI+:1,2-dimethyl-3-propyl Imidazolium)のそれぞれについて、本発明の方法及び従来法をそれぞれ用いて得られた結果を示している。同図の(a)〜(d)のそれぞれにおいて、左図は、本発明の方法により得られた最安定構造又は擬似最安定構造(ただし水素原子は省略されている。)を示しており、右図は、本発明の方法により得られた(水素原子を除く)各原子の電荷量(黒棒)、従来法の方法により得られた(水素原子を除く)各原子の電荷量(白棒)を示している。なお、比較のため、非特許文献1に記載された同一の物質についての各原子の電荷量(点線棒)が示されている。また、本発明の方法により決定された局所安定構造のイオン内の全エネルギー値と従来法により決定された最安定構造のイオン内の全エネルギー値との差は、それぞれの物質について以下の通りであった。
(a)0kcal/mol;
(b)+1.137kcal/mol;
(c)0kcal/mol;
(d)+0.687kcal/mol
FIG. 4 shows (a) trimethylhexylammonium (TMHA +), (b) 1-butyl-4-methyl-pyridinium chloroaluminate (BMP +), c) 1-ethyl-3-methylimidazolium (EMI +), (d) 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium (DMPI +: 1,2-dimethyl-3-propyl) For each Imidazolium), the results obtained using the method of the present invention and the conventional method are shown. In each of (a) to (d) in the figure, the left figure shows the most stable structure or pseudo-most stable structure (however, hydrogen atoms are omitted) obtained by the method of the present invention, The right figure shows the charge amount of each atom (black bar) obtained by the method of the present invention (excluding hydrogen atoms), and the charge amount of each atom obtained by the conventional method (excluding hydrogen atoms) (white bar). ). For comparison, the charge amount (dotted bar) of each atom for the same substance described in Non-Patent Document 1 is shown. Further, the difference between the total energy value in the ions of the locally stable structure determined by the method of the present invention and the total energy value in the ions of the most stable structure determined by the conventional method is as follows for each substance. there were.
(A) 0 kcal / mol;
(B) +1.137 kcal / mol;
(C) 0 kcal / mol;
(D) +0.687 kcal / mol

これらの結果を物質毎に参照すると、以下の如く解釈される。
(a)本発明の方法により決定された局所安定構造のエネルギー差は0kcal/molであり、本発明の方法により決定された構造に於ける電荷分布(各原子の電荷量の配分)は、従来法及び文献値のものと略一致していることから、本発明の方法により決定された局所安定構造は、最安定構造であると考えられる。
(b)本発明の方法により決定された局所安定構造のエネルギー差は、約1kcal/mol程度であり、一般的な実験の誤差が数kcal/mol程度であることを考慮すると、本発明の方法により決定された局所安定構造は、最安定構造に相当に近い局所安定構造であるということができる。また、本発明の方法による電荷分布は、従来法及び文献値のものと略一致しているので、本発明の方法により決定された局所安定構造は、擬似最安定構造であるとすることができる。
(c)本発明の方法により決定された局所安定構造のエネルギー差は0kcal/molであり、本発明の方法により決定された構造に於ける電荷分布については、共鳴構造を形成する原子団(1N〜5C)に於いて電荷の非局在化傾向が見られるが、本発明の方法による結果に於いて電荷量の大きさの順に並べた際の各原子の順位は、従来法及び文献値のものと一致した。これらのことから、本発明の方法により決定された局所安定構造は、擬似最安定構造であるとすることができる。
(d)本発明の方法により決定された局所安定構造のエネルギー差は、約1kcal/mol程度であり、一般的な実験の誤差が数kcal/mol程度であることを考慮すると、本発明の方法により決定された構造は、最安定構造に相当に近い局所安定構造であるということができる。また、電荷分布について、共鳴構造を形成する原子団(1N〜5C)に於いて電荷の非局在化傾向が見られるが、本発明の方法による結果に於いて電荷量の大きさの順に並べた際の各原子の順位は、従来法及び文献値のものと一致した。これらのことから、本発明の方法により決定された局所安定構造は、擬似最安定構造であるとすることができる。
When these results are referred to for each substance, they are interpreted as follows.
(A) The energy difference of the local stable structure determined by the method of the present invention is 0 kcal / mol, and the charge distribution (distribution of the charge amount of each atom) in the structure determined by the method of the present invention is conventionally The local stable structure determined by the method of the present invention is considered to be the most stable structure because it substantially matches the method and literature values.
(B) The energy difference of the local stable structure determined by the method of the present invention is about 1 kcal / mol, and considering that the error of a general experiment is about several kcal / mol, the method of the present invention It can be said that the local stable structure determined by is a local stable structure that is substantially close to the most stable structure. In addition, since the charge distribution by the method of the present invention is substantially the same as that of the conventional method and literature values, the local stable structure determined by the method of the present invention can be regarded as a pseudo-most stable structure. .
(C) The energy difference of the local stable structure determined by the method of the present invention is 0 kcal / mol, and the charge distribution in the structure determined by the method of the present invention is the atomic group (1N In the results of the method of the present invention, the order of each atom when arranged in the order of the magnitude of the charge is the same as that of the conventional method and the literature value. Matched the one. From these facts, the local stable structure determined by the method of the present invention can be regarded as a pseudo-most stable structure.
(D) The energy difference of the local stable structure determined by the method of the present invention is about 1 kcal / mol, and the error of a general experiment is about several kcal / mol. It can be said that the structure determined by is a local stable structure substantially equivalent to the most stable structure. In addition, regarding the charge distribution, there is a tendency of delocalization of charges in the atomic groups (1N to 5C) forming the resonance structure. In the result of the method of the present invention, the charge amounts are arranged in order of magnitude. The order of each atom was consistent with that of the conventional method and literature values. From these facts, the local stable structure determined by the method of the present invention can be regarded as a pseudo-most stable structure.

かくして、上記の結果に於いては、(a)〜(d)のいずれの物質についても、総じて、本発明の方法により得られたイオン内の電荷分布に於ける各原子の電荷量の大きさは、従来法による結果及び文献値のものと概ね一致し、全エネルギー値の差も約1kcal/mol程度よりも小さかった。これらの結果は、本発明の方法によって、分子・イオンの最安定構造又は擬似最安定構造の検出及びその構造に於ける分子・イオン内の電荷分布の算定が可能であることを示している。また、特記されるべきこととして、上記の従来法で配座異性体の探索を行った際、上記の各物質の配座異性体の数は、それぞれ(a)51種、(b)41種、(c)1種、(d)3種であったので、従来法では、(a)、(b)、(d)の物質については、上記の如く、(6)、(7)の分子軌道法による構造最適化演算は、全ての配座異性体について、即ち、配座異性体の数の分だけ実行されたが、本発明の方法では、それぞれの物質について、(6)、(7)の分子軌道法による構造最適化演算を一度だけ行って上記の結果を得た。即ち、本発明の方法によれば、従前に比して、演算量の大幅な削減が可能であることが示された。   Thus, in the above results, for any of the substances (a) to (d), the magnitude of the charge amount of each atom in the charge distribution in the ions obtained by the method of the present invention as a whole. Was generally consistent with the results of the conventional method and those of literature values, and the difference in total energy values was also smaller than about 1 kcal / mol. These results show that the method of the present invention enables detection of the most stable structure or pseudo-most stable structure of molecules / ions and calculation of charge distribution in the molecules / ions in the structure. In addition, it should be noted that when searching for conformers by the above-described conventional method, the number of conformers of each of the above substances is (a) 51 species, (b) 41 species, respectively. , (C) 1 type and (d) 3 types, the substances (a), (b) and (d) in the conventional method are the molecules of (6) and (7) as described above. The structure optimization operation by the orbital method was performed for all conformers, that is, the number of conformers, but in the method of the present invention, (6) and (7) The above-mentioned result was obtained by performing the structure optimization calculation by the molecular orbital method only once. That is, according to the method of the present invention, it has been shown that the amount of calculation can be greatly reduced as compared with the prior art.

更に、上記の本発明の方法に於ける(2)の分子力場計算法による構造最適化演算に於いて、原子間ポテンシャル関数を、universalに代えて、dreading、compass26、compass27、pcff、pcff30、cvffをそれぞれ用いて、本発明の方法により上記と同様に演算を行ったところ、最終的に得られた構造は、いずれも原子間ポテンシャル関数としてuniversalを使った場合と略同様であり、算出された分子・イオン内の電荷分布も略同様であった。このことは、本発明に於ける量子化学計算法の構造最適化演算の初期構造を生成する際の分子力場計算法に使用される原子間ポテンシャル関数として、universalに限らず、この分野で通常使用されている原子間のクーロン力の作用又は静電相互作用を考慮したポテンシャル関数が利用可能であることを示唆している。   Furthermore, in the structure optimization calculation by the molecular force field calculation method (2) in the method of the present invention described above, the interatomic potential function is replaced with universal instead of dreading, compass26, compass27, pcff, pcff30, When each cvff was used to perform the same operation as described above by the method of the present invention, the finally obtained structure was almost the same as when universal was used as the interatomic potential function and was calculated. The charge distribution in the molecules and ions was also almost the same. This is not limited to universal as an interatomic potential function used in the molecular force field calculation method when generating the initial structure of the structure optimization operation of the quantum chemical calculation method in the present invention. This suggests that a potential function considering the Coulomb force action or electrostatic interaction between the atoms used can be used.

以上の説明は、本発明の実施の形態に関連してなされているが、当業者にとつて多くの修正及び変更が容易に可能であり、本発明は、上記に例示された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の概念から逸脱することなく種々の装置に適用されることは明らかであろう。   Although the above description has been made in relation to the embodiment of the present invention, many modifications and changes can be easily made by those skilled in the art, and the present invention is limited to the embodiment exemplified above. It will be apparent that the invention is not limited and applies to various devices without departing from the inventive concept.

Claims (16)

コンピュータを用いて分子又は多原子イオンの局所安定構造を量子化学計算法の構造最適化演算により決定する方法であって、前記分子又は多原子イオンの化学構造式に基づいて決定される概略構造に於いて前記分子又は多原子イオン内の各原子に電荷平衡法により算出された電荷量を割り付けて得られる電荷割付構造を分子力場計算法にて構造最適化して得られる第一の構造最適化構造を、前記量子化学計算法の構造最適化演算の初期構造とすることを特徴とする方法。   A method of determining a local stable structure of a molecule or polyatomic ion by a structure optimization operation of a quantum chemical calculation method using a computer, wherein the structure is determined based on a chemical structural formula of the molecule or polyatomic ion. The first structure optimization obtained by optimizing the charge assignment structure obtained by assigning the charge amount calculated by the charge equilibrium method to each atom in the molecule or polyatomic ion by the molecular force field calculation method A method wherein the structure is an initial structure of the structure optimization operation of the quantum chemical calculation method. コンピュータを用いて分子又は多原子イオンの局所安定構造を決定する方法であって、
前記分子又は多原子イオンの化学構造式に基づいて決定される概略構造に於いて前記分子又は多原子イオン内の各原子に電荷平衡法により算出された電荷量を割り付けて得られる電荷割付構造を生成する過程と、
前記電荷割付構造を分子力場計算法による構造最適化演算により最適化して第一の構造最適化構造を生成する過程と、
前記第一の構造最適化構造を量子化学計算法による構造最適化演算により最適化して前記局所安定構造を決定する過程と
を含むことを特徴とする方法。
A method for determining the local stable structure of a molecule or polyatomic ion using a computer, comprising:
A charge assignment structure obtained by assigning a charge amount calculated by a charge balance method to each atom in the molecule or polyatomic ion in a schematic structure determined based on a chemical structural formula of the molecule or polyatomic ion. Generation process,
A step of generating the first structure optimized structure by optimizing the charge allocation structure by a structure optimization operation by a molecular force field calculation method;
And determining the local stable structure by optimizing the first structure-optimized structure by a structure optimization operation by a quantum chemical calculation method.
請求項1又は2の方法であって、更に、前記量子化学計算法の構造最適化演算により決定された前記局所安定構造から前記分子又は多原子イオン内の電荷分布を算定することを特徴とする方法。   3. The method according to claim 1, further comprising calculating a charge distribution in the molecule or polyatomic ion from the local stable structure determined by the structure optimization operation of the quantum chemical calculation method. Method. 請求項1又は2の方法であって、前記分子又は多原子イオンの本来の価数と前記電荷割付構造に於ける前記分子又は多原子イオンの価数とが一致したときに前記量子化学計算法の構造最適化演算による前記局所安定構造の決定を行うことを特徴とする方法。   3. The method according to claim 1 or 2, wherein the valence of the molecule or polyatomic ion matches the valence of the molecule or polyatomic ion in the charge assignment structure. Determining the local stable structure by a structure optimization operation. 請求項1又は2の方法であって、前記量子化学計算法の構造最適化演算が、密度汎関数法による構造最適化演算を含むことを特徴とする方法。   3. The method according to claim 1, wherein the structure optimization operation of the quantum chemical calculation method includes a structure optimization operation by a density functional method. 請求項1又は2の方法であって、前記量子化学計算法の構造最適化演算が、分子軌道法による構造最適化演算を含むことを特徴とする方法。   3. The method according to claim 1, wherein the structure optimization operation of the quantum chemical calculation method includes a structure optimization operation by a molecular orbital method. 請求項1又は2の方法であって、前記量子化学計算法の構造最適化演算が、前記第一の構造最適化構造を初期構造として密度汎関数法による構造最適化演算を実行することにより第二の構造最適化構造を決定する過程と、前記第二の構造最適化構造を初期構造として分子軌道法による構造最適化演算を実行することにより、前記局所安定構造を決定する過程を含んでいることを特徴とする方法。   3. The method according to claim 1, wherein the structure optimization operation of the quantum chemical calculation method is performed by executing a structure optimization operation by a density functional method using the first structure optimization structure as an initial structure. A step of determining a second structure-optimized structure and a step of determining the local stable structure by executing a structure optimization operation by a molecular orbital method using the second structure-optimized structure as an initial structure. A method characterized by that. 請求項1又は2の方法であって、前記分子力場計算法による電荷割付構造の構造最適化に於いて設定される原子間ポテンシャル関数が、universal、dreading、compass、pcff及びcvffから成る群から選択される関数であることを特徴とする方法。   The method according to claim 1 or 2, wherein the interatomic potential function set in the structure optimization of the charge assignment structure by the molecular force field calculation method is selected from the group consisting of universal, dreading, compass, pcff and cvff. A method characterized in that it is a function to be selected. 分子又は多原子イオンの局所安定構造を量子化学計算法の構造最適化演算により決定する演算処理装置であって、前記分子又は多原子イオンの化学構造式に基づいて決定される概略構造に於いて前記分子又は多原子イオン内の各原子に電荷平衡法により算出される電荷量を割り付けて得られる電荷割付構造を分子力場計算法にて構造最適化して得られる第一の構造最適化構造を、前記量子化学計算法の構造最適化演算の初期構造とすることを特徴とする装置。   An arithmetic processing unit for determining a local stable structure of a molecule or polyatomic ion by a structure optimization operation of a quantum chemical calculation method, wherein the structure is determined based on a chemical structural formula of the molecule or polyatomic ion. A first structure-optimized structure obtained by optimizing the charge assignment structure obtained by assigning the charge amount calculated by the charge equilibrium method to each atom in the molecule or polyatomic ion by the molecular force field calculation method. An apparatus having an initial structure for a structure optimization operation of the quantum chemical calculation method. 分子又は多原子イオンの局所安定構造を決定する演算処理装置であって、
前記分子又は多原子イオンの化学構造式に基づいて決定される概略構造に於いて前記分子又は多原子イオン内の各原子に電荷平衡法により算出された電荷量を割り付けて得られる電荷割付構造を生成する手段と、
前記電荷割付構造を分子力場計算法による構造最適化演算により最適化して第一の構造最適化構造を生成する手段と、
前記第一の構造最適化構造を量子化学計算法による構造最適化演算により最適化して前記局所安定構造を決定する手段と
を含むことを特徴とする装置。
An arithmetic processing device for determining a local stable structure of a molecule or polyatomic ion,
A charge assignment structure obtained by assigning a charge amount calculated by a charge balance method to each atom in the molecule or polyatomic ion in a schematic structure determined based on a chemical structural formula of the molecule or polyatomic ion. Means for generating;
Means for optimizing the charge allocation structure by a structure optimization operation by a molecular force field calculation method to generate a first structure optimized structure;
Means for optimizing the first structure optimized structure by a structure optimization operation by a quantum chemical calculation method to determine the local stable structure.
請求項9又は10の装置であって、更に、前記量子化学計算法の構造最適化演算により決定された前記局所安定構造から前記分子又は多原子イオン内の電荷分布を算定することを特徴とする装置。   The apparatus according to claim 9 or 10, further comprising calculating a charge distribution in the molecule or polyatomic ion from the local stable structure determined by a structure optimization operation of the quantum chemical calculation method. apparatus. 請求項9又は10の装置であって、前記分子又は多原子イオンの本来の価数と前記電荷割付構造に於ける前記分子又は多原子イオンの価数とが一致したときに前記量子化学計算法の構造最適化演算による前記局所安定構造の決定を行うことを特徴とする装置。   The apparatus according to claim 9 or 10, wherein the quantum chemistry calculation method when the original valence of the molecule or polyatomic ion matches the valence of the molecule or polyatomic ion in the charge assignment structure. The local stable structure is determined by a structure optimization operation. 請求項9又は10の装置であって、前記量子化学計算法の構造最適化演算が、密度汎関数法による構造最適化演算を含むことを特徴とする装置。   11. The apparatus according to claim 9, wherein the structure optimization operation of the quantum chemical calculation method includes a structure optimization operation by a density functional method. 請求項9又は10の装置であって、前記量子化学計算法の構造最適化演算が、分子軌道法による構造最適化演算を含むことを特徴とする装置。   The apparatus according to claim 9 or 10, wherein the structure optimization calculation of the quantum chemical calculation method includes a structure optimization calculation by a molecular orbital method. 請求項9又は10の装置であって、前記量子化学計算法の構造最適化演算が、前記第一の構造最適化構造を初期構造として密度汎関数法による構造最適化演算を実行することにより第二の構造最適化構造を決定する演算と、前記第二の構造最適化構造を初期構造として分子軌道法による構造最適化演算を実行することにより、前記局所安定構造を決定する演算を含んでいることを特徴とする装置。   The apparatus according to claim 9 or 10, wherein the structure optimization operation of the quantum chemical calculation method is performed by executing a structure optimization operation by a density functional method with the first structure optimization structure as an initial structure. Including an operation for determining a second structure-optimized structure and an operation for determining the local stable structure by executing a structure optimization operation by a molecular orbital method using the second structure-optimized structure as an initial structure. A device characterized by that. 請求項9又は10の装置であって、前記分子力場計算法による電荷割付構造の構造最適化に於いて設定される原子間ポテンシャル関数が、universal、dreading、compass、pcff及びcvffから成る群から選択される関数であることを特徴とする装置。   The apparatus according to claim 9 or 10, wherein the interatomic potential function set in the structure optimization of the charge assignment structure by the molecular force field calculation method is selected from the group consisting of universal, dreading, compass, pcff, and cvff. A device characterized in that it is a function to be selected.
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