JP4870911B2 - Molecular orbital calculation device, method, program and recording medium - Google Patents

Molecular orbital calculation device, method, program and recording medium Download PDF

Info

Publication number
JP4870911B2
JP4870911B2 JP2004049840A JP2004049840A JP4870911B2 JP 4870911 B2 JP4870911 B2 JP 4870911B2 JP 2004049840 A JP2004049840 A JP 2004049840A JP 2004049840 A JP2004049840 A JP 2004049840A JP 4870911 B2 JP4870911 B2 JP 4870911B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
orbital
integral
basis
integration
interaction
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2004049840A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2005242563A (en
Inventor
百合子 青木
裕一 折本
詮 今村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Japan Science and Technology Agency
National Institute of Japan Science and Technology Agency
Original Assignee
Japan Science and Technology Agency
National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Japan Science and Technology Agency, National Institute of Japan Science and Technology Agency filed Critical Japan Science and Technology Agency
Priority to JP2004049840A priority Critical patent/JP4870911B2/en
Publication of JP2005242563A publication Critical patent/JP2005242563A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4870911B2 publication Critical patent/JP4870911B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Description

本発明は、電子相関を組み入れて遷移状態の解析に好適な分子軌道演算装置、分子軌道演算方法、分子軌道演算プログラム及び記録媒体に関する。   The present invention relates to a molecular orbital calculation apparatus, a molecular orbital calculation method, a molecular orbital calculation program, and a recording medium that are suitable for analyzing transition states by incorporating electronic correlation.

分子の物性は、分子を構成する原子の種類や電子状態と密接に関係している。分子の電子状態が分かれば、例えば、エネルギーの座標による微分を解析的に求めること(所謂エネルギー勾配法)により、分子のエネルギーが極小となる安定構造、遷移状態の構造及び基準振動解析等を行うことができる。また例えば、分子の反応において反応座標に対するポテンシャルエネルギーを計算することにより、その平衡点として反応系、生成系、反応中間体、遷移状態が求められる。その他、振動スペクトル、電子スペクトル、双極子モーメント、イオン化ポテンシャル、分極率及びスピン密度等を求めることができる。このように分子の電子状態が分かれば様々な分子の物性を求めることができる。   The physical properties of molecules are closely related to the types of atoms and electronic states that make up molecules. If the electronic state of a molecule is known, for example, a differential structure based on energy coordinates is analytically obtained (so-called energy gradient method), thereby performing a stable structure in which the molecular energy is minimized, a transition state structure, a normal vibration analysis, and the like. be able to. Further, for example, by calculating the potential energy with respect to the reaction coordinate in the reaction of the molecule, the reaction system, the generation system, the reaction intermediate, and the transition state are obtained as the equilibrium point. In addition, vibration spectrum, electron spectrum, dipole moment, ionization potential, polarizability, spin density, and the like can be obtained. Thus, if the electronic state of a molecule | numerator is known, the physical property of various molecules can be calculated | required.

この分子の電子状態を量子力学に基づいて近似的に求める方法として分子軌道法がある。分子の電子状態は、分子軌道によって表され、この分子軌道は、ハートリー・フォック・ローターン方程式(以下、「HFR方程式」と略記する。)と呼ばれる方程式を解くことによって得られる。このHFR方程式は、系の波動関数を1個のスレーター行列式で近似した場合に、それが基底状態に対する最良の近似となるスピン軌道の組を探し出すための方程式である。   There is a molecular orbital method as an approximate method for obtaining the electronic state of this molecule based on quantum mechanics. The electronic state of a molecule is represented by a molecular orbital, and this molecular orbital is obtained by solving an equation called a Hartree-Fock-Lautern equation (hereinafter abbreviated as “HFR equation”). This HFR equation is an equation for finding a set of spin orbits that is the best approximation to the ground state when the wave function of the system is approximated by one slater determinant.

また、分子軌道法は、HFR方程式を解く際に利用される近似の程度によって、ヒュッケル法や拡張ヒュッケル法に代表される経験的分子軌道法、2電子積分の特定の項を充分小さな値として無視すると共に計算パラメータに実測値を用いる半経験的分子軌道法、及び、物理定数を除き実測値を用いずに第1原理から全て計算によって求める非経験的分子軌道法の3つに大きく分類される。経験的分子軌道法や半経験的分子軌道法は、計算結果が近似方法やパラメータに依存するなど信頼性に欠けるという欠点を有するが、非経験的分子軌道法は、このような欠点がない点で優れている。このような非経験的分子軌道法を実行するアプリケーションプログラムとして、例えば、Gaussian94/98(米国、Gaussian.Inc.製)やGAMESS(米国、NRCC製)等がある。   In the molecular orbital method, depending on the degree of approximation used when solving the HFR equation, the empirical molecular orbital method typified by the Hückel method and the extended Huckel method are ignored, and certain terms of the two-electron integral are ignored as sufficiently small values. And semi-empirical molecular orbital methods that use measured values as calculation parameters, and ab initio molecular orbital methods that are all calculated from the first principle without using measured values except for physical constants. . The empirical molecular orbital method and the semiempirical molecular orbital method have the disadvantage that the calculation results depend on the approximation method and parameters, but are not reliable. The non-empirical molecular orbital method does not have such a disadvantage. Is excellent. Application programs for executing such ab initio molecular orbital methods include, for example, Gaussian 94/98 (manufactured by Gaussian Inc., USA) and GAMESS (manufactured by NRCC, USA).

解析目的に沿って特定の相互作用が無いもの(カット)として解析を行う場合に、従来の分子軌道法の一解析法であるNBOエネルギー解析法では、計算された波動関数の段階で特定の相互作用をカットするものであり、電子相関を含めることは困難であった。特に、電子相関の効果が顕著になる遷移状態の解析は、困難であった。   The NBO energy analysis method, which is one analysis method of the conventional molecular orbital method, is used to analyze a specific interaction at the stage of the calculated wave function when the analysis is performed with no specific interaction (cut) according to the analysis purpose. It was difficult to include an electron correlation. In particular, it has been difficult to analyze a transition state in which the effect of electron correlation becomes significant.

一方、分子内及び分子間の相互作用(以下、「分子の相互作用」と呼称することとする。)を検討する際に、スルーボンド相互作用やスルースペース相互作用と呼ばれる概念を用いて説明される場合がある。これら概念は、1968年にHoffmann、今村等によって提唱された概念である(例えば、非特許文献1)。スルーボンド(Through Bond)相互作用(以下、「TB相互作用」と略記する。)は、結合(ボンド)を介した相互作用をいい、スルースペース(Through Space)相互作用(以下、「TS相互作用」と略記する。)は、結合を介さずに空間を介した相互作用をいう。従来は、分子の相互作用を検討する際に、これら概念を用いて定性的には説明されていたが、定量的に説明することができず、定量的に説明することが望まれていた。   On the other hand, when examining intramolecular and intermolecular interactions (hereinafter referred to as “molecular interactions”), they are explained using concepts called through-bond interactions and through-space interactions. There is a case. These concepts are the concepts proposed by Hoffmann, Imamura et al. In 1968 (for example, Non-Patent Document 1). Through Bond (Through Bond) interaction (hereinafter abbreviated as “TB interaction”) refers to interaction through bonds (Through Space) interaction (hereinafter referred to as “TS interaction”). Is abbreviated as “.” Refers to an interaction through a space without a bond. Conventionally, when examining molecular interactions, these concepts have been used to explain qualitatively, but cannot be explained quantitatively, and it has been desired to explain quantitatively.

そのため、発明者らは、TB相互作用及びTS相互作用の概念を非経験的分子軌道法に取り入れ、活性化エネルギーや遷移状態の安定性と立体電子効果等の軌道間相互作用の関連性とを電子相関を含めて定量的に解析する手法(以下、「TS/TB相互作用解析法」と呼称することとする。)を開発し、非特許文献2に開示している。   Therefore, the inventors incorporated the concepts of TB interaction and TS interaction into the ab initio molecular orbital method, and showed the relationship between activation energy and transition state stability and interorbital interactions such as stereoelectronic effects. A technique for quantitative analysis including electronic correlation (hereinafter referred to as “TS / TB interaction analysis method”) has been developed and disclosed in Non-Patent Document 2.

非特許文献2に開示のTS/TB相互作用解析法は、基底関数(ベイシス・セット、Basis Set)に混成原子軌道(Hybridized Atomic Orbitals、以下、「HAO」と略記する。)を使用し、カットしたい相互作用に対応する積分要素を軌道収縮という概念を用いた積分要素に置き換えて、HFR方程式を立て、このHFR方程式を解くことによって分子の波動関数を求める手法である。
R.Hoffmann,A.Imamura,W.J.Hehre,J.Am.Chem.Soc.90,1499(1968) Yuuichi Orimoto,Yuriko Aoki“Pure Trough-Bond State in Organic Molecules for Analysis of the Relationship Between Intramolecular Interactions and Total Energy”,International Journal of Quantum Chemistry,Vol.92,355-366(2003)
The TS / TB interaction analysis method disclosed in Non-Patent Document 2 uses a hybrid atom orbit (Hybridized Atomic Orbitals, hereinafter abbreviated as “HAO”) as a basis function (Basis Set), and is cut. This is a technique for obtaining a wave function of a molecule by replacing the integral element corresponding to the desired interaction with an integral element using the concept of orbital contraction, establishing an HFR equation, and solving the HFR equation.
R. Hoffmann, A. Imamura, WJHehre, J. Am. Chem. Soc. 90, 1499 (1968) Yuuichi Orimoto, Yuriko Aoki “Pure Trough-Bond State in Organic Molecules for Analysis of the Relationship Between Intramolecular Interactions and Total Energy”, International Journal of Quantum Chemistry, Vol. 92, 355-366 (2003)

ところで、従来の方法では、基底関数にHAOを使用していた。HAOは、最小基底系STO−3Gにしか対応しておらず、精度の面、及び、sp混成軌道を越える混成軌道を作ることができないとった面で現実の現象を表すには充分ではなかった。特に、遷移状態等の4個以上の結合(分子内の原子間の相互作用)が予想される場合には、適用することができなかった。 By the way, in the conventional method, HAO is used for the basis function. HAO is only compatible with the minimum basis set STO-3G, and is not sufficient to represent the actual phenomenon in terms of accuracy and inability to create a hybrid orbit exceeding the sp 3 hybrid orbit. It was. In particular, when 4 or more bonds (interaction between atoms in a molecule) such as a transition state are expected, it cannot be applied.

本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、どのような大きな基底関数系でも解析可能な分子軌道演算装置、分子軌道演算方法、分子軌道演算プログラム及び分子軌道演算プログラムを記録した記録媒体を提供することを目的とする。   The present invention was made in view of the above circumstances, and recorded a molecular orbital calculation device, a molecular orbital calculation method, a molecular orbital calculation program, and a molecular orbital calculation program that can be analyzed by any large basis function system. An object is to provide a recording medium.

上述の目的を達成するために、本発明に係る、コンピュータによって構成した、ハートリー・フォック・ローターン方程式により分子の電子状態を求める分子軌道演算装置は、前記分子の構造データ及び無いものとしたい相互作用を示すカット情報を入力する入力部と、通常の軌道指数を持つ基底関数を用いて演算された分子軌道法における積分要素をノーマル積分要素として記憶するノーマル積分記憶部と実質的に無限大まで増大させた軌道指数を持つ基底関数を用いて演算された分子軌道法における積分要素をラージ積分要素として記憶するラージ積分記憶部と、通常の軌道指数を持つ基底関数を用いて、分子軌道法における重なり積分、運動エネルギー積分、核−電子引力エネルギー積分及び2電子積分における原子軌道基底の積分要素を前記構造データの前記分子について演算して前記ノーマル積分記憶部に記憶すると共に、実質的に無限大まで増大させた軌道指数を持つ基底関数を用いて、分子軌道法における重なり積分、運動エネルギー積分、核−電子引力エネルギー積分及び2電子積分における原子軌道基底の積分要素を前記分子内の各相互作用について相互作用の無いものとした後の積分要素としてそれぞれ演算して前記ラージ積分記憶部に記憶する積分演算部と、前記ノーマル積分記憶部に記憶されている前記原子軌道基底のノーマル積分要素を自然混成軌道基底又は自然結合軌道基底の積分要素に変換して前記ノーマル積分記憶部に記憶すると共に、前記ラージ積分記憶部に記憶されている前記原子軌道基底のラージ積分要素を自然混成軌道基底又は自然結合軌道基底の積分要素に変換して前記ラージ積分記憶部に記憶する基底変換部と、前記ノーマル積分記憶部に記憶されている自然混成軌道基底又は自然結合軌道基底の積分要素のうちにおいて前記カット情報に対応する相互作用の積分要素を、前記ラージ積分記憶部に記憶されている自然混成軌道基底又は自然結合軌道基底の積分要素に置き換える積分要素置換部と、前記積分要素置換部で置き換えられた積分要素を用いたハートリー・フォック・ローターン方程式を解く方程式演算部と、前記方程式演算部の演算結果を出力する出力部とを備えることを特徴とする。 In order to achieve the above-described object, a molecular orbital calculation device for obtaining an electronic state of a molecule by the Hartree-Fock-Lautern equation according to the present invention, which is configured by a computer, is based on the structure data of the molecule and the mutual information to be excluded. An input unit for inputting cut information indicating the action, a normal integration storage unit for storing the integration element in the molecular orbital method calculated using a basis function having a normal orbital index as a normal integration element , and virtually infinite The molecular orbital method using the large integral storage unit that stores the integral element in the molecular orbital method calculated using the basis function having the orbital index increased to the large integral element and the basis function having the normal orbital index. Of atomic orbital bases in overlap integral, kinetic energy integral, nucleus-electron attractive energy integral and two-electron integral in With the element by calculating the said molecules of the structure data stored in the normal integral storage unit, by using the basis function having a track index has increased to substantially infinite, integral overlap of the molecular orbital method, kinetic energy The integral element of the atomic orbital basis in the integral, the nucleus-electron attractive energy integral and the two-electron integral is calculated as an integral element after each interaction in the molecule has no interaction, and is stored in the large integral storage unit. and integration unit that stores, stores in the normal integral storage unit by converting the normal integral element of the atomic orbital basis stored in the normal integration storage unit to the integral element of the natural hybrid orbital basis or natural bond orbital base with natural hybrid orbital basis or natural binding a large integral element of the atomic orbital basis stored in the large integral storage unit A basis conversion unit to be stored in the large integration memory unit converts the integral element of the orbital basis, the cut information in one of the integral element of the natural hybrid orbital basis or natural bond orbital basis is stored in the normal integral storage unit An integral element replacement unit that replaces the integral element of the interaction corresponding to に with the integral element of the natural hybrid orbital basis or the natural coupled orbital base stored in the large integral storage unit, and the integral replaced by the integral element replacement unit An equation calculation unit that solves the Hartree-Fock-Low-turn equation using elements and an output unit that outputs the calculation result of the equation calculation unit are provided.

また、上述の分子軌道演算装置において、前記方程式演算部の演算結果に対して電子相関効果を、配置間相互作用法((Configuration Interaction、CI)法)、摂動法((Mφller-Plesset perturbation theory、MPn)法)及び多配置SCF法((Multi Configurational Self Consistent Field、MCSCF)法)のいずれかに基づいて演算する電子相関演算部をさらに備え、前記出力部は、電子相関演算部の演算結果を出力することを特徴とする。 Further, in the molecular orbital computing device described above, the electron correlation effect on the computation result of the equation computation unit is expressed by the configuration interaction method ((Configuration Interaction, CI) method), perturbation method ((Mφller-Plesset perturbation theory, MPn) method) and a multi-configuration SCF method ((Multi Configurational Self Consistent Field, MCSCF) method) are further included, and the output unit outputs the calculation result of the electronic correlation calculation unit. It is characterized by outputting.

そして、本発明に係る、コンピュータによって実行される、ハートリー・フォック・ローターン方程式により分子の電子状態を求める分子軌道演算方法は、前記分子の構造データ及び無いものとしたい相互作用を示すカット情報を入力する入力ステップと、通常の軌道指数を持つ基底関数を用いて、分子軌道法における重なり積分、運動エネルギー積分、核−電子引力エネルギー積分及び2電子積分における原子軌道基底の積分要素を前記構造データの前記分子について演算して原子軌道基底のノーマル積分要素とすると共に、実質的に無限大まで増大させた軌道指数を持つ基底関数を用いて、分子軌道法における重なり積分、運動エネルギー積分、核−電子引力エネルギー積分及び2電子積分における原子軌道基底の積分要素を前記分子内の各相互作用について相互作用の無いものとした後の積分要素としてそれぞれ演算して原子軌道基底のラージ積分要素とする積分演算ステップと、前記積分演算ステップで演算された前記原子軌道基底のノーマル積分要素を自然混成軌道基底又は自然結合軌道基底の積分要素に変換すると共に、前記積分演算ステップで演算された前記原子軌道基底のラージ積分要素を自然混成軌道基底又は自然結合軌道基底の積分要素に変換する基底変換ステップと、前記基底変換ステップで変換された自然混成軌道基底又は自然結合軌道基底のノーマル積分要素のうちにおいて前記カット情報に対応する相互作用の積分要素を、前記基底変換ステップで変換された自然混成軌道基底又は自然結合軌道基底のラージ積分要素に置き換える積分要素置換ステップと、前記積分要素置換ステップで置き換えられた積分要素を用いたハートリー・フォック・ローターン方程式を解く方程式演算ステップと、前記方程式演算ステップの演算結果を出力する出力ステップとを備えることを特徴とする。 And, according to the present invention, the molecular orbital calculation method for calculating the electronic state of a molecule by the Hartree-Fock-Lautern equation, executed by a computer, includes the structure data of the molecule and the cut information indicating the interaction that should be absent. Using the input step to input and a basis function having a normal orbital index, the integral data of the atomic orbital basis in the overlap or integral in the molecular orbital method, the kinetic energy integral, the nucleus-electron attractive energy integral, and the two-electron integral are obtained as the structural data. Is used as a normal integral element of the atomic orbital basis, and by using a basis function having an orbital index substantially increased to infinity, an overlap integral, a kinetic energy integral, a nucleus − in the molecular orbital method are used. the integral element of atomic orbital basis in electronic attraction energy integral and two-electron integrals in the molecule And integral operation steps of the large integral element of each operation on atomic orbital basis as an integral element of after as no interaction for each interaction, the normal integral element of the atomic orbital basis which is calculated by the integral calculation step Is converted into an integral element of a natural hybrid orbital base or a natural coupled orbital base, and a large integral element of the atomic orbital base calculated in the integration operation step is converted into an integral element of a natural hybrid orbital base or a natural coupled orbital base Of the normal integration elements of the base conversion step and the natural hybrid orbital base or the natural coupling orbit base converted in the base conversion step, the interaction integration element corresponding to the cut information was converted in the base conversion step. integral element substitution step for replacing the large integral element of natural hybrid orbital basis or natural bond orbital base And an equation calculation step that solves the Hartree-Fock-Lautern equation using the integration element replaced in the integration element replacement step, and an output step that outputs the calculation result of the equation calculation step. .

また、本発明に係る、ハートリー・フォック・ローターン方程式により分子の電子状態を求める、コンピュータに実行させるための分子軌道演算プログラムは、前記分子の構造データ及び無いものとしたい相互作用を示すカット情報を入力する入力ステップと、通常の軌道指数を持つ基底関数を用いて、分子軌道法における重なり積分、運動エネルギー積分、核−電子引力エネルギー積分及び2電子積分における原子軌道基底の積分要素を前記構造データの前記分子について演算して原子軌道基底のノーマル積分要素とすると共に、実質的に無限大まで増大させた軌道指数を持つ基底関数を用いて、分子軌道法における重なり積分、運動エネルギー積分、核−電子引力エネルギー積分及び2電子積分における原子軌道基底の積分要素を前記分子内の各相互作用について相互作用の無いものとした後の積分要素としてそれぞれ演算して原子軌道基底のラージ積分要素とする積分演算ステップと、前記積分演算ステップで演算された前記原子軌道基底のノーマル積分要素を自然混成軌道基底又は自然結合軌道基底の積分要素に変換すると共に、前記積分演算ステップで演算された前記原子軌道基底のラージ積分要素を自然混成軌道基底又は自然結合軌道基底の積分要素に変換する基底変換ステップと、前記基底変換ステップで変換された自然混成軌道基底又は自然結合軌道基底のノーマル積分要素のうちにおいて前記カット情報に対応する相互作用の積分要素を、前記基底変換ステップで変換された自然混成軌道基底又は自然結合軌道基底のラージ積分要素に置き換える積分要素置換ステップと、前記積分要素置換ステップで置き換えられた積分要素を用いたハートリー・フォック・ローターン方程式を解く方程式演算ステップと、前記方程式演算ステップの演算結果を出力する出力ステップとを備えることを特徴とする。 Further, according to the present invention, the molecular orbital calculation program for causing a computer to obtain an electronic state of a molecule by the Hartree-Fock-Lautern equation and to cause the computer to execute the structure data and the cut information indicating the interaction to be eliminated And the integration element of the atomic orbital basis in the molecular orbital method in the overlap or integral, kinetic energy integration, nuclear-electron attractive energy integration and two-electron integration using the basis step having a normal orbital index Using the basis function with the orbital index increased to substantially infinite, using the basis function with the orbital index increased to infinity, by computing the molecule of the data, the overlap integral, kinetic energy integral, nuclear - the amount of the integral element of the atomic orbital basis in electronic attraction energy integral and two-electron integrals And integral operation steps of the large integral element of each operation on atomic orbital basis as an integral element of after as no interaction for each interaction of the inner, the atomic orbital basis of the normal calculated in the integral calculation step The integral element is converted into an integral element of a natural hybrid orbital base or a natural coupled orbital base, and the large integral element of the atomic orbital base calculated in the integral operation step is converted into an integral element of a natural hybrid orbital base or a natural coupled orbital base. Of the normal integration elements of the basis conversion step to convert and the natural hybrid orbital base or the natural coupling orbit base converted by the basis conversion step, the integration element of the interaction corresponding to the cut information is converted by the basis conversion step. spontaneous hybrid orbital basis or integral element replacement scan replacing the large integral element of natural bond orbital base And an equation calculation step for solving the Hartree-Fock-Lautern equation using the integration element replaced in the integration element replacement step, and an output step for outputting the calculation result of the equation calculation step. And

さらに、ハートリー・フォック・ローターン方程式により分子の電子状態を求める、コンピュータに実行させるための分子軌道演算プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体において、前記分子軌道演算プログラムは、前記分子の構造データ及び無いものとしたい相互作用を示すカット情報を入力する入力ステップと、通常の軌道指数を持つ基底関数を用いて、分子軌道法における重なり積分、運動エネルギー積分、核−電子引力エネルギー積分及び2電子積分における原子軌道基底の積分要素を前記構造データの前記分子について演算して原子軌道基底のノーマル積分要素とすると共に、実質的に無限大まで増大させた軌道指数を持つ基底関数を用いて、分子軌道法における重なり積分、運動エネルギー積分、核−電子引力エネルギー積分及び2電子積分における原子軌道基底の積分要素を前記分子内の各相互作用について相互作用の無いものとした後の積分要素としてそれぞれ演算して原子軌道基底のラージ積分要素とする積分演算ステップと、前記積分演算ステップで演算された前記原子軌道基底のノーマル積分要素を自然混成軌道基底又は自然結合軌道基底の積分要素に変換すると共に、前記積分演算ステップで演算された前記原子軌道基底のラージ積分要素を自然混成軌道基底又は自然結合軌道基底の積分要素に変換する基底変換ステップと、前記基底変換ステップで変換された自然混成軌道基底又は自然結合軌道基底のノーマル積分要素のうちにおいて前記カット情報に対応する相互作用の積分要素を、前記基底変換ステップで変換された自然混成軌道基底又は自然結合軌道基底のラージ積分要素に置き換える積分要素置換ステップと、前記積分要素置換ステップで置き換えられた積分要素を用いたハートリー・フォック・ローターン方程式を解く方程式演算ステップと、前記方程式演算ステップの演算結果を出力する出力ステップとを備えることを特徴とする。 Further, in a computer-readable recording medium in which a molecular orbital calculation program for obtaining a computer to obtain an electronic state of a molecule by using a Hartree-Fock-Lautern equation is recorded, the molecular orbital calculation program includes the molecular structure data. Using an input step for inputting cut information indicating an interaction desired to be absent and a basis function having a normal orbital index, an overlap integral, a kinetic energy integral, a nucleus-electron attractive energy integral and a two-electron in the molecular orbital method The integration element of the atomic orbital basis in the integration is calculated for the molecule of the structure data to be the normal integration element of the atomic orbital basis, and the basis function having the orbital index increased to substantially infinite Overlap integration, kinetic energy integration, nucleus-electron attraction in orbital method Integral calculation step of the large integral element of each operation on atomic orbital basis as an integral element after the integral element of the atomic orbital basis in the energy integral and two-electron integrals was assumed without interaction for each interaction in the molecule And converting the normal integration element of the atomic orbital basis calculated in the integration calculation step into an integration element of a natural hybrid orbital base or a natural coupling orbital base, and the large of the atomic orbital base calculated in the integration calculation step. The cut information in the base conversion step of converting the integral element into the integral element of the natural hybrid orbital base or the natural coupled orbital base and the normal integral element of the natural hybrid orbital base or natural coupled orbital base converted in the basis conversion step natural hybrid trajectories of the integral element of interaction corresponding, converted by said base conversion step And the integral element replacement step of replacing the large integral element of the base or a natural bond orbital basis, and Equations calculating step of solving the Hartree-Fock-Roothaan equations using the integral element which is replaced by the integral element replacement step, the equation computing step And an output step for outputting the result of the calculation.

このような構成の分子軌道演算装置、分子軌道演算方法、分子軌道演算プログラム及び分子軌道演算プログラムを記録した記録媒体では、積分要素の基底関数を自然混成軌道又は自然結合軌道に変換し、変換された積分要素のうち相互作用を無いものとしたい積分要素を相互作用の無いものとした積分要素を置き換えてからハートリー・フォック・ローターン方程式を立てて解くので、大きな基底関数系を扱うことができる。   In the molecular orbital calculation device, molecular orbital calculation method, molecular orbital calculation program, and molecular orbital calculation program having such a configuration, the basis function of the integration element is converted into a natural hybrid orbital or a natural bond orbit. It is possible to handle a large basis set system by replacing the integral element that has no interaction among the integral elements that have no interaction and replacing the integral element with no interaction. .

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。   Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the structure which attached | subjected the same code | symbol in each figure shows that it is the same structure, The description is abbreviate | omitted.

(実施形態の構成)
図1は、分子軌道演算装置の構成を示すブロック図である。図1において、分子軌道演算装置1は、演算処理部11、入力部12、出力部13、内部記憶部14、補助記憶部16及びバス18を備えて構成される。
(Configuration of the embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the molecular orbital calculation apparatus. In FIG. 1, the molecular orbital calculation device 1 includes an arithmetic processing unit 11, an input unit 12, an output unit 13, an internal storage unit 14, an auxiliary storage unit 16, and a bus 18.

演算処理部11は、例えば、マイクロプロセッサ等を備えて構成され、機能的に、積分演算部111、基底変換部112、積分要素置換部113、方程式演算部114及び電子相関演算部115を備えると共に、制御プログラムに従い入力部12、出力部13、内部記憶部14及び補助記憶部16を制御する。   The arithmetic processing unit 11 includes, for example, a microprocessor, and functionally includes an integration calculation unit 111, a basis conversion unit 112, an integral element replacement unit 113, an equation calculation unit 114, and an electronic correlation calculation unit 115. The input unit 12, the output unit 13, the internal storage unit 14, and the auxiliary storage unit 16 are controlled according to the control program.

積分演算部111は、分子軌道法における原子軌道基底の各種の積分要素を演算する。各種の積分要素は、分子軌道法における重なり積分S、運動エネルギー積分T、核−電子引力エネルギー積分V及び2電子積分である。各種の積分要素については、これらの表記法と共に、例えば、「廣田穣著、“化学新シリーズ 分子軌道法”、裳華房、1999年4月30日第1刷発行」に開示されている。   The integral calculation unit 111 calculates various integral elements of the atomic orbital basis in the molecular orbital method. The various integral elements are the overlap integral S, the kinetic energy integral T, the nucleus-electron attractive energy integral V, and the two-electron integral in the molecular orbital method. Various kinds of integral elements are disclosed together with these notations, for example, in “Mr. Kaeda,“ Chemical New Series, Molecular Orbital Method ”, Hankabo, April 30, 1999, first printing”.

基底変換部112は、積分演算部111で演算した各種の積分要素の基底を自然混成軌道又は自然結合軌道に変換する。積分要素置換部113は、基底変換部112で基底が変換された積分要素のうちカット情報に対応する積分要素を相互作用の無いものとした後の積分要素に置き換える。カット情報は、人為的に無いものとしたい(カットしたい)相互作用(TB相互作用、TS相互作用)を示す情報である。方程式演算部114は、積分要素置換部113で置き換えられた積分要素を用いたHFR方程式を解く。電子相関演算部115は、方程式演算部114の演算結果に対して電子相関効果を演算する。   The basis conversion unit 112 converts the basis of various integration elements calculated by the integration calculation unit 111 into a natural hybrid orbit or a natural coupling orbit. The integral element replacement unit 113 replaces the integral element corresponding to the cut information among the integral elements whose basis has been converted by the basis conversion unit 112 with an integral element after having made no interaction. The cut information is information indicating an interaction (TB interaction, TS interaction) that is not artificially desired (to be cut). The equation calculation unit 114 solves the HFR equation using the integration element replaced by the integration element replacement unit 113. The electronic correlation calculation unit 115 calculates an electronic correlation effect on the calculation result of the equation calculation unit 114.

入力部12は、本分子軌道演算装置1の演算開始指示等の各種コマンドや後述の構造データ、カット情報及び初期電子密度等の各種データを分子軌道演算装置1に入力する機器であり、例えば、キーボードやマウス等である。出力部13は、入力部12から入力されたコマンド及びデータや本分子軌道演算装置1の演算結果等を出力する機器であり、例えばCRTディスプレイ、LCD、有機ELディスプレイ又はプラズマディスプレイ等の表示装置やプリンタ等の印字装置等である。   The input unit 12 is a device that inputs various commands such as calculation start instructions of the molecular orbital calculation device 1 and various data such as structure data, cut information, and initial electron density to be described later to the molecular orbital calculation device 1, for example, Keyboard and mouse. The output unit 13 is a device that outputs the command and data input from the input unit 12, the calculation result of the molecular orbital calculation device 1, and the like, for example, a display device such as a CRT display, LCD, organic EL display, or plasma display, A printing device such as a printer;

内部記憶部14は、演算処理部11が実行する分子軌道演算プログラムや制御プログラムを補助記憶部16から読み込むと共に、分子軌道演算プログラム実行中の各データを一時的に記憶する所謂ワーキングメモリであり、例えば揮発性の記憶素子であるRAM(Random Access Memory)を備えて構成される。   The internal storage unit 14 is a so-called working memory that reads the molecular orbital calculation program and control program executed by the arithmetic processing unit 11 from the auxiliary storage unit 16 and temporarily stores each data during execution of the molecular orbital calculation program. For example, a RAM (Random Access Memory) that is a volatile storage element is provided.

補助記憶部16は、例えばROM及びEEPROM等の不揮発性の記憶素子やハードディスク等のデータやプログラムを記憶する装置であり、ノーマル積分記憶部161及びラージ積分記憶部162を備える他、分子軌道を演算する分子軌道演算プログラムや分子軌道演算装置1を動作させるための制御プログラム等の各プログラム(不図示)、及び、後述の初期電子密度D(0)等の各プログラムの実行に必要なデータ(不図示)等を記憶する。   The auxiliary storage unit 16 is a device for storing data and programs such as a non-volatile storage element such as a ROM and EEPROM, a hard disk, and the like, and includes a normal integration storage unit 161 and a large integration storage unit 162, and calculates molecular orbitals. Data (not shown) such as a control program for operating the molecular orbital calculation program and the molecular orbital calculation device 1, and data necessary for execution of each program such as an initial electron density D (0) described later (not shown) Etc.) are stored.

ノーマル積分記憶部161は、通常の軌道指数を持つ基底関数(「ノーマル基底関数」と呼称することとする)を用いて演算された各基底の各種の積分要素(「ノーマル積分要素」と呼称することとする。)を記憶する。   The normal integration storage unit 161 calls various integration elements (referred to as “normal integration elements”) of each basis calculated using basis functions having normal orbital indices (referred to as “normal basis functions”). Memorize).

各基底は、AO(原子軌道、Atomic Orbital)基底、NHO(自然混成軌道、Natural Hybrid Orbital)基底及びNBO(自然結合軌道、Natural Bond Orbital)基底である。   Each base is an AO (Atomic Orbital) base, an NHO (Natural Hybrid Orbital) base, and an NBO (Natural Bond Orbital) base.

NHOは、任意の基底関数系から作られた、直感的に理解し易いいわゆるルイス構造に基づいた混成軌道であり、NBOの構成単位ともなる。このNHOについては、例えば、「J.P.Foster and F.Weinhold”Natural Hybrid Orbitals”J.Am.Chem Soc.1980,102,7211-7218」に開示されている。   NHO is a hybrid orbit based on a so-called Lewis structure that is made of an arbitrary basis function system and is easy to understand intuitively, and is a constituent unit of NBO. This NHO is disclosed in, for example, “J.P. Foster and F. Weinhold” Natural Hybrid Orbitals ”J. Am. Chem Soc. 1980, 102, 7211-7218”.

NBOは、分子構造の基本単位である結合やいわゆるlone pair(孤立電子対)軌道部分に局在化した直感的に理解し易い軌道であって、電子の占有数が非整数値にもなり得るより自然な描像を持つ軌道である。このNBOについては、例えば、「F.Weinhold,C.Landis”Natural Bond Orbitals and Extensions of Localized Bonding Concepts”,Chemistry education research and practice in Europe.2001,Vol.2,No.2,91-104」に開示されている。   NBO is an intelligible orbit localized at the bond or so-called lone pair orbital portion that is the basic unit of the molecular structure, and the number of occupied electrons can be a non-integer value. Orbit with a more natural picture. For this NBO, see, for example, “F. Weinhold, C. Landis” Natural Bond Orbitals and Extensions of Localized Bonding Concepts ”, Chemistry education research and practice in Europe. 2001, Vol. 2, No. 2, 91-104. It is disclosed.

ラージ積分記憶部162は、相互作用をカットすべく実質的に無限大まで増大させた軌道指数αを持つ基底関数(「ラージ基底関数」と呼称することとする。)を用いて演算された各基底の各種の積分要素(「ラージ積分要素」と呼称することとする。)を記憶する。NBOエネルギー解析法では、計算された波動関数の段階で特定の相互作用をカットするものであるが、本発明では、基底関数の段階で特定の相互作用(解析目的に関係する相互作用)をカットするものである。従来では電子相関の効果を含めることや励起状態の解析が困難であったが、基底関数の段階で特定の相互作用をカットすることにより、本発明では、電子相関の効果を含めることや励起状態の解析を行うことができる。   The large integral storage unit 162 uses each basis function having a trajectory index α increased to substantially infinity to cut the interaction (referred to as a “large basis function”). Various basic integration elements (referred to as “large integration elements”) are stored. In the NBO energy analysis method, a specific interaction is cut at the calculated wave function stage. In the present invention, a specific interaction (interaction related to the analysis purpose) is cut at the basis function stage. To do. Conventionally, it has been difficult to include the effect of electron correlation and analysis of the excited state, but by cutting a specific interaction at the basis function stage, the present invention includes the effect of electron correlation and excited state. Can be analyzed.

図2は、軌道収縮による相互作用の人為的なカットを説明するための図である。図2(A)は、AO基底による相互作用の人為的なカットの場合を示し、図2(B)は、アンモニア−臭化アリルのS2反応遷移状態におけるNBO基底による相互作用の人為的なカットの場合を示す。 FIG. 2 is a diagram for explaining an artificial cut of interaction due to trajectory contraction. FIG. 2 (A) shows the case of an artificial cut of the AO-based interaction, and FIG. 2 (B) shows the artificial interaction of the NBO-based interaction in the ammonia-allyl bromide SN 2 reaction transition state. The case of a simple cut is shown.

まず、AO基底による相互作用の人為的なカットについて説明する。   First, an artificial cut of the interaction by the AO base will be described.

図2(A)において、図2(A)の左側に示す原子Aに属するAOχrと原子Bに属するAOχsの間の相互作用を人為的にカットするとは、χr−χs間の重なりを完全に無くすことである。これは、χr−χs間の相互作用(LABは原子Aと原子Bとの間の距離)に対応したガウス型関数exp(−α×r)における軌道指数αの絶対値を無限大にすることに相当する。即ち、図2(A)の左側の状態から軌道指数αを徐々に増大させるとこれに従ってχrとχsとはそれぞれが属する原子核A及び原子核Bに局在化していき、軌道指数αが実質的に無限大にまで増大すると、図2(A)の右側に示すようにχrとχsとはそれぞれが属する原子核A上及び原子核B上に局在化する(軌道の収縮)。その結果、χr−χs間の重なりが完全に無くなり、χr−χs間の空間的な重なりによる相互作用が人為的にカットされる。 In FIG. 2A, artificially cutting the interaction between AOχr belonging to atom A and AOχs belonging to atom B shown on the left side of FIG. 2A completely eliminates the overlap between χr and χs. That is. This makes the absolute value of the orbital index α in the Gaussian function exp (−α × r 2 ) corresponding to the interaction between χr and χs (L AB is the distance between the atom A and the atom B) infinite. It corresponds to doing. That is, when the orbital index α is gradually increased from the state on the left side of FIG. 2A, χr and χs are localized in the nucleus A and the nucleus B to which the orbital index B belongs, and the orbital index α is substantially equal. When increasing to infinity, as shown on the right side of FIG. 2A, χr and χs are localized on the nucleus A and the nucleus B to which they belong (orbital contraction). As a result, the overlap between χr and χs is completely eliminated, and the interaction due to the spatial overlap between χr and χs is artificially cut.

具体的には、分子軌道の計算に必要な積分要素(重なり積分S、運動エネルギー積分T、核−電子引力エネルギー積分V及び2電子積分(rs|tu))のうちのχrとχsとに関する非対角成分がゼロになる。即ち、軌道の収縮によって各積分要素は、次のように変化する。
a)重なり積分Srs→0
b)運動エネルギー積分Trs→0
c)核−電子引力エネルギー積分Vrs→0
d)2電子積分のうち(rs|**)型のもの→0
別の見方をすれば、この状態は、χr−χs間における電子の非局在化の効果が人為的に抑制されていることに相当する。なお、添え字rsは、当該積分要素が行列におけるr行s列の成分であることを表す。
Specifically, the non-relevance of χr and χs among integral elements (overlap integral S, kinetic energy integral T, nucleus-electron attractive energy integral V, and two-electron integral (rs | tu)) necessary for calculation of molecular orbitals. The diagonal component becomes zero. That is, each integral element changes as follows by the contraction of the trajectory.
a) Overlap integral Srs → 0
b) Kinetic energy integration Trs → 0
c) Nuclear-electron attractive energy integration Vrs → 0
d) (rs | **) type of 2-electron integral → 0
From another viewpoint, this state corresponds to the fact that the effect of delocalization of electrons between χr and χs is artificially suppressed. The subscript rs indicates that the integral element is a component of r rows and s columns in the matrix.

そして、局在化した軌道χは、原子核A及び原子核B上に点電荷を形成する。これは、軌道χが形成する負電荷を帯びた点電荷が原子核の正電荷を遮蔽する効果を持つことから、原子間の静電的相互作用も同時にカットされることを意味する。従って、相互作用をカットする際に、核間反発、電子間反発及び核−電子引力の全エネルギーに寄与している各項のバランスを考慮する必要がないという効果がある。   The localized orbital χ forms a point charge on the nucleus A and the nucleus B. This means that the negatively charged point charge formed by the orbital χ has the effect of shielding the positive charge of the nucleus, so that the electrostatic interaction between atoms is also cut simultaneously. Therefore, when the interaction is cut, there is an effect that it is not necessary to consider the balance of each term contributing to the total energy of internuclear repulsion, interelectron repulsion, and nucleus-electron attraction.

具体的には、軌道の収縮によって各積分要素は、次のように変化する。
e)核−電子引力エネルギー積分Vrsのうちの、原子核Bと軌道χrとの間の対角成分Vrr、及び、原子核Aと軌道χsとの間の対角成分Vssがそれぞれ古典的クーロン引力エネルギーになる。原子核Aと原子核Bとの距離(原子核間距離)をLAB、電子の電荷をeとすると、
Vrr→−e/LAB、Vss→−e/LAB
である。
f)2電子積分のうちの(rr|ss)型のものが古典的クーロン反発エネルギーになる。
(rr|ss)→e/LAB
Specifically, each integral element changes as follows by the contraction of the trajectory.
e) The diagonal component Vrr B between the nucleus B and the orbit χr and the diagonal component Vss A between the nucleus A and the orbit χs in the nuclear-electron attractive energy integral Vrs are respectively the classical Coulomb attractive forces. Become energy. If the distance between the nucleus A and the nucleus B (distance between nuclei) is L AB and the charge of the electron is e,
Vrr B → −e 2 / L AB , Vss A → −e 2 / L AB
It is.
f) The (rr | ss) type of the two-electron integral becomes the classical Coulomb repulsion energy.
(Rr | ss) → e 2 / L AB

ここで、電子の非局在化による相互作用(例えば、立体電子効果や電子移動反応等)だけを見積もりたい場合には、上述のa)〜d)の相互作用の人為的なカットを行って後述の演算を行えばよい。一方、電子的な相互作用及び原子核間の相互作用の如く原子間に働く全ての相互作用を包括した立体反発の効果を見積もりたい場合には、上述のa)〜f)の相互作用の人為的なカットを行って後述の演算を行えばよい。立体反発の効果は、回転障壁の問題等で重要な役割を果たす。   Here, when it is desired to estimate only the interaction due to delocalization of electrons (for example, steric electron effect, electron transfer reaction, etc.), the above-described a) to d) interaction is artificially cut. What will be described later may be performed. On the other hand, when it is desired to estimate the effect of the steric repulsion including all the interactions between atoms such as the electronic interaction and the interaction between nuclei, the above-mentioned interaction a) to f) is artificial. It is only necessary to perform an after-mentioned calculation with a simple cut. The effect of steric repulsion plays an important role in the problem of rotation barriers.

NHO基底による相互作用の人為的なカット及びNBO基底による相互作用の人為的なカットもAO基底による相互作用の人為的なカットと同様に考えることができる。但し、NBO基底は、複数のAOの線形結合で記述されることから1つのNBOが複数の原子核にまたがっているので、複雑となる。実施例で扱うアンモニアと臭化アリルとの間のS2反応においてσ−π相互作用をカットする場合について具体的に以下に説明する。 The artificial cut of the interaction by the NBO base and the artificial cut of the interaction by the NBO base can be considered similarly to the artificial cut of the interaction by the AO base. However, since the NBO base is described by a linear combination of a plurality of AOs, one NBO extends over a plurality of nuclei, and thus becomes complicated. The case where the σ-π * interaction is cut in the S N 2 reaction between ammonia and allyl bromide handled in the examples will be specifically described below.

σ軌道は、N−C−Br上にまたがった窒素原子N1に属するNBOφrと炭素原子C2、臭素原子Br3に属するφsとが相当し、π軌道は、炭素原子C4、炭素原子C5に属するφtが相当する。ここで、N、C、Brは、それぞれ窒素、炭素及び臭素の元素記号であり、添え字は、図2(B)の左側に示すように、臭化アリルにおける各原子に割り振った番号である。 The σ orbit corresponds to NBOφr belonging to the nitrogen atom N1 straddling N—C—Br and φs belonging to the carbon atom C2 and bromine atom Br3, and the π * orbital corresponds to φt belonging to the carbon atom C4 and carbon atom C5. Corresponds. Here, N, C, and Br are element symbols of nitrogen, carbon, and bromine, respectively, and the subscript is a number assigned to each atom in allyl bromide as shown on the left side of FIG. .

まず、上述のa)〜d)の処理を行うことになるが、σ−π相互作用のカットは、φr−φt間及びφs−φt間の相互作用をカットすることに相当する。即ち、φr−φt間の重なり及びφs−φt間の重なりを軌道の収縮により人為的になくす(図2(B)右側参照)。このため、これらの相互作用に対応したNBO基底の積分要素を構成するAO基底の積分要素におけるガウス型関数の軌道指数の絶対値を実質的に無限大にする。 First, the above-described processes a) to d) are performed. The cutting of the σ-π * interaction corresponds to cutting the interaction between φr and φt and between φs and φt. That is, the overlap between φr and φt and the overlap between φs and φt are artificially eliminated by the contraction of the trajectory (see the right side of FIG. 2B). For this reason, the absolute value of the orbital exponent of the Gaussian function in the integral element of the AO base constituting the integral element of the NBO base corresponding to these interactions is made substantially infinite.

また、局在化することにより軌道は、上述と同様に原子核上に点電荷を形成することとなり、NBO基底では1つの軌道が複数の原子核に属していることから、これを考慮しながら上述のe)及びf)に相当する処理を行う。   In addition, as a result of localization, the orbit forms a point charge on the nucleus in the same manner as described above. Since one orbit belongs to a plurality of nuclei in the NBO base, Processing corresponding to e) and f) is performed.

そして、AO基底の場合と同様にNBO基底の場合も、電子の非局在化による相互作用だけを見積もりたい場合には、上述のa)〜d)の相互作用の人為的なカットを行って後述の演算を行えばよい。一方、立体反発の効果を見積もりたい場合には、上述のa)〜f)の相互作用の人為的なカットを行って後述の演算を行えばよい。   In the case of the NBO base as in the case of the AO base, if only the interaction due to the delocalization of electrons is to be estimated, the above-described a) to d) interaction is artificially cut. What will be described later may be performed. On the other hand, when it is desired to estimate the effect of solid repulsion, an artificial cut of the above-described interactions a) to f) may be performed and the calculation described later may be performed.

図1に戻って、これら演算処理部11、入力部12、出力部13、内部記憶部14及び補助記憶部16は、データを相互に交換することができるようにバス18にそれぞれ接続される。   Returning to FIG. 1, the arithmetic processing unit 11, the input unit 12, the output unit 13, the internal storage unit 14, and the auxiliary storage unit 16 are respectively connected to the bus 18 so that data can be exchanged with each other.

なお、必要に応じて分子軌道演算装置1は、図1に破線で示す外部記憶部15や通信インターフェース部17をさらに備えてもよい。   If necessary, the molecular orbital computing device 1 may further include an external storage unit 15 and a communication interface unit 17 indicated by broken lines in FIG.

外部記憶部15は、例えば、フレキシブルディスク、CD−ROM(Compact Disc Read Only Memory)、CD−R(Compact Disc Recordable)及びDVD−R(Digital Versatile Disc Recordable)等の記録媒体との間でデータを読み込み及び/又は書き込みを行う装置であり、例えば、フレキシブルディスクドライブ、CD−ROMドライブ、CD−Rドライブ及びDVD−Rドライブ等である。通信インターフェース部17は、通信網に接続され、通信網を介して他のクライアント装置との間で通信信号を送受信するための機器である。   The external storage unit 15 stores data with a recording medium such as a flexible disk, a CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory), a CD-R (Compact Disc Recordable), and a DVD-R (Digital Versatile Disc Recordable). An apparatus that performs reading and / or writing, such as a flexible disk drive, a CD-ROM drive, a CD-R drive, and a DVD-R drive. The communication interface unit 17 is connected to a communication network and is a device for transmitting and receiving communication signals to and from other client devices via the communication network.

各プログラムが格納されていない場合には、これらを記録した記録媒体から外部記憶部15を介して補助記憶部16にインストールされるように構成してもよく、また、これらプログラムを管理するサーバコンピュータ(不図示)から通信網及び通信インターフェース部17を介して各プログラムがダウンロードされるように構成してもよい。また、分子軌道の演算に当たって分子軌道演算装置1に入力すべきデータは、このデータを記憶した記録媒体によって外部記憶部15を介して分子軌道演算装置1に入力されるように構成してもよく、また、クライアント装置から通信網及び通信インターフェース部17を介して分子軌道演算装置1に入力されるように構成してもよい。   If each program is not stored, it may be configured to be installed in the auxiliary storage unit 16 via the external storage unit 15 from a recording medium on which these programs are recorded, and a server computer that manages these programs Each program may be downloaded from a communication network and communication interface unit 17 (not shown). In addition, the data to be input to the molecular orbital calculation device 1 in calculating the molecular orbital may be configured to be input to the molecular orbital calculation device 1 via the external storage unit 15 by a recording medium storing this data. In addition, the molecular orbital calculation device 1 may be configured to be input from the client device via the communication network and the communication interface unit 17.

次に、本実施形態の動作について説明する。   Next, the operation of this embodiment will be described.

(実施形態の動作)
まず、分子軌道を求める演算対象物の構造を決定する。次に、座標系を決定し、決定した座標系に基づき、演算対象物の構造データを作成する。そして、構造データ及びカット情報を入力部12を介して分子軌道演算装置1に入力する。構造データは、演算対象物の分子における各原子の、決定した座標系に基づく座標である。なお、本実施形態では、隣同士の結合(ボンド)を介した相互作用をTB相互作用と定義し、それ以外の相互作用をTS相互作用と定義するが、必ずしも隣同士の結合を介した相互作用をTB相互作用と定義しそれ以外をTS相互作用と定義する必要はなく、例えば隣同士の結合に加えてその隣の結合をも介した相互作用をTB相互作用と定義しそれ以外の相互作用をTS相互作用と定義する等、解析目的に応じて定義すればよい。
(Operation of the embodiment)
First, the structure of the object to be calculated is determined. Next, a coordinate system is determined, and structure data of the operation target is created based on the determined coordinate system. Then, the structure data and the cut information are input to the molecular orbital calculation device 1 via the input unit 12. The structure data is coordinates based on the determined coordinate system of each atom in the molecule of the calculation object. In the present embodiment, an interaction through a bond (bond) between adjacent neighbors is defined as a TB interaction, and an interaction other than that is defined as a TS interaction. It is not necessary to define the action as a TB interaction and the other as a TS interaction. For example, an interaction through a neighboring bond in addition to a neighboring bond is defined as a TB interaction, and other interactions are defined. What is necessary is just to define according to the analysis objective, such as defining an action as TS interaction.

図3は、分子軌道演算装置の動作を示すフローチャートである。図3において、構造データ及びカット情報が入力部12から入力されると(S11)、演算処理部11の積分演算部111は、通常の軌道指数αを持つ基底関数(ノーマル基底関数)を用いて各種のAO基底の積分要素(以下、「AOノーマル積分要素」と呼称することとする。)を演算し、演算結果をノーマル積分記憶部161に記憶する(S12)。   FIG. 3 is a flowchart showing the operation of the molecular orbital calculation device. In FIG. 3, when structure data and cut information are input from the input unit 12 (S11), the integration calculation unit 111 of the calculation processing unit 11 uses a basis function (normal basis function) having a normal orbital index α. Various AO-based integration elements (hereinafter referred to as “AO normal integration elements”) are calculated, and the calculation results are stored in the normal integration storage unit 161 (S12).

また、積分演算部111は、相互作用をカットすべく増大させた軌道指数α(例えば、α→∞)を持つ基底関数(ラージ基底関数)を用いて各種のAO基底の積分要素(以下、「AOラージ積分要素」と呼称することとする。)を演算対象物内の各相互作用についてそれぞれ演算し、演算結果をラージ積分記憶部162に記憶する(S13)。即ち、解析目的に合わせて、上述のa)〜d)の相互作用の人為的なカット又は上述のa)〜f)の相互作用の人為的なカットを演算対象物内の各相互作用についてそれぞれ行う。このようにAOラージ積分要素を相互作用ごとにそれぞれ予め演算して記憶しておくことにより、演算対象物内のカットしたい相互作用を変更した場合に速やかに対応することができる。   Further, the integral calculation unit 111 uses various basis elements (large basis functions) having an orbital index α (for example, α → ∞) increased so as to cut the interaction. (Hereinafter referred to as “AO large integration element”) is calculated for each interaction in the calculation object, and the calculation result is stored in the large integration storage unit 162 (S13). That is, according to the analysis purpose, the above-described artificial cut of the interaction a) to d) or the artificial cut of the above-described interaction a) to f) is performed for each interaction in the calculation object. Do. Thus, by previously calculating and storing each AO large integral element for each interaction, it is possible to quickly cope with a change in the interaction to be cut in the calculation object.

次に、演算処理部11の基底変換部112は、AO基底からNBO基底に変換する変換行列U(AO→NBO)を処理S12で求めたAOノーマル積分要素に作用させ(式(1A)、(1B)参照)、NBO基底を基底としたノーマル積分要素(以下、「NBOノーマル積分要素」と呼称することとする。)を求める。そして、基底変換部112は、求めたNBOノーマル積分要素をノーマル積分記憶部161に記憶する(S14)。   Next, the base conversion unit 112 of the arithmetic processing unit 11 causes the conversion matrix U (AO → NBO) for conversion from the AO base to the NBO base to act on the AO normal integration element obtained in step S12 (formula (1A), ( 1B)), a normal integration element based on the NBO base (hereinafter referred to as “NBO normal integration element”) is obtained. Then, the basis conversion unit 112 stores the obtained NBO normal integration element in the normal integration storage unit 161 (S14).

次に、基底変換部112は、変換行列U(AO→NBO)を処理S13で求めたAOラージ積分要素に作用させ(式(1A)、(1B)参照)、NBO基底を基底としたラージ積分要素(以下、「NBOラージ積分要素」と呼称することとする。)を求める。そして、基底変換部112は、求めたNBOラージ積分要素をラージ積分記憶部162に記憶する(S15)。   Next, the basis conversion unit 112 causes the transformation matrix U (AO → NBO) to act on the AO large integration element obtained in step S13 (see equations (1A) and (1B)), and performs large integration with the NBO basis as the basis. An element (hereinafter referred to as “NBO large integral element”) is obtained. Then, the basis conversion unit 112 stores the obtained NBO large integration element in the large integration storage unit 162 (S15).

Figure 0004870911
Figure 0004870911

Figure 0004870911
Figure 0004870911

は、変換行列U(AO→NBO)の複素共役である。 U + is a complex conjugate of the transformation matrix U (AO → NBO).

ここで、演算が複雑な2電子積分のAO基底からNBO基底への変換を具体的に説明する。   Here, the conversion from the AO base to the NBO base of the two-electron integral having a complicated operation will be specifically described.

図4は、2電子積分のAO基底からNBO基底への変換する具体例の対象系を示す図である。図4に示すように具体例の対象系におけるNBOφrは、原子Aに属するAOχ1及び原子Bに属するAOχ2から成り、一方、NBOφsは、原子Cに属するAOχ3から成るものとする。これを行列で表すと式2のようになる。 FIG. 4 is a diagram illustrating a target system of a specific example in which a two-electron integral is converted from an AO base to an NBO base. As shown in FIG. 4, it is assumed that NBOφ r in the target system of the specific example consists of AOχ 1 belonging to atom A and AOχ 2 belonging to atom B, while NBOφ s consists of AOχ 3 belonging to atom C. This can be expressed as a matrix as shown in Equation 2.

Figure 0004870911
Figure 0004870911

ここで、Nは、規格化定数であり、式3が変換行列U(AO→NBO)である。 Here, N is a normalization constant, and Equation 3 is a transformation matrix U (AO → NBO).

Figure 0004870911
Figure 0004870911

NBO基底の2電子積分(rr|ss)がラージ積分要素の場合に古典的クーロン反発エネルギーになる場合を考えると、式(1B)によれば、(rr|ss)に混ざり込む項のうち、変換行列U(AO→NBO)及びAO基底積分要素が共にゼロにならないのは、式(4A)及び式(4B)である。   Considering the case where the two-electron integral (rr | ss) of the NBO basis becomes a classical Coulomb repulsion energy in the case of a large integral element, according to the equation (1B), among the terms mixed into (rr | ss), It is the expressions (4A) and (4B) that the transformation matrix U (AO → NBO) and the AO basis integral element are not zero.

Figure 0004870911
Figure 0004870911

Figure 0004870911
Figure 0004870911

また、AO基底積分要素はゼロにならないが変換行列U(AO→NBO)がゼロに成るのは、式(5)である。   Further, although the AO basis integral element does not become zero, the transformation matrix U (AO → NBO) becomes zero according to Expression (5).

Figure 0004870911
Figure 0004870911

ここで、Lijは、原子iと原子jとの原子間距離である(i,j=A,B,C)。 Here, L ij is the interatomic distance between atom i and atom j (i, j = A, B, C).

他のAO基底の2電子積分は、ラージ積分要素では全てゼロになるため、結局(rr|ss)は、N(e/LAC+e/LAC)となり、クーロン反発エネルギーのみが残る。 Since the two-electron integrals of other AO bases are all zero in the large integral element, (rr | ss) is eventually N 2 (e 2 / L AC + e 2 / L AC ), and only the Coulomb repulsion energy remains. .

次に、(rs|rs)項に混ざり込む項を考えると、変換行列U(AO→NBO)がゼロにならないのは、式(6A)及び式(6B)の項であるが、(13|13)、(23|23)が共にゼロであるため、これら式(6A)及び式(6B)の項は、ゼロになる。他の項も同様に変換行列U(AO→NBO)及び積分要素の項の何れかがゼロになるため、結局(rs|rs)項は、ゼロとなる。   Next, considering terms mixed in the (rs | rs) term, the transformation matrix U (AO → NBO) does not become zero in terms of the equations (6A) and (6B), but (13 | 13) Since (23 | 23) are both zero, the terms of these equations (6A) and (6B) are zero. Similarly, in the other terms, either the transformation matrix U (AO → NBO) or the term of the integral element becomes zero, so that the (rs | rs) term eventually becomes zero.

Figure 0004870911
Figure 0004870911

Figure 0004870911
Figure 0004870911

図3に戻って、演算処理部11の積分要素置換部113は、演算対象物内の各相互作用に対応するNBOノーマル積分要素のうちにおいて、カット情報に対応する相互作用のNBOノーマル積分要素をNBOラージ積分要素に置き換える(S16)。これによって本発明に係るTS/TB解析用の新しい積分要素(以下、「TS/TB解析用積分要素」と呼称することとする。)が作成される。   Returning to FIG. 3, the integration element replacement unit 113 of the arithmetic processing unit 11 selects the NBO normal integration element of the interaction corresponding to the cut information among the NBO normal integration elements corresponding to each interaction in the operation target. Replace with NBO large integral element (S16). Thereby, a new integration element for TS / TB analysis according to the present invention (hereinafter referred to as “integration element for TS / TB analysis”) is created.

次に、演算処理部11の方程式演算部114は、処理S16によるTS/TB解析用積分要素を用いて分子の電子状態を求める(S17)。即ち、式7を満たす電子の波動関数ψ及び全エネルギーEの近似解を求める。Hは、ハミルトン演算子である。
Hψ=Eψ ・・・ (7)
Next, the equation calculation unit 114 of the calculation processing unit 11 obtains the electronic state of the molecule using the integration element for TS / TB analysis in the process S16 (S17). That is, an approximate solution of the wave function ψ and total energy E of the electron that satisfies Equation 7 is obtained. H is a Hamilton operator.
Hψ = Eψ (7)

より具体的には、まず、方程式演算部114は、処理S16によるTS/TB解析用積分要素を用いて式(8)に基づきフォック行列(以下、「F行列」と略記する。)を作成する(S17−1)。   More specifically, first, the equation calculation unit 114 creates a Fock matrix (hereinafter abbreviated as “F matrix”) based on Expression (8) using the TS / TB analysis integration element in the process S16. (S17-1).

Figure 0004870911
Figure 0004870911

rs Coreは、コア積分と呼ばれ、運動エネルギー積分T及び核−電子引力積分Vから成る。 H rs Core is called a core integral, and consists of a kinetic energy integral T and a nucleus-electron attractive integral V.

次に、方程式演算部114は、式(8)のPutに初期電子密度D(0)を代入し、F行列を対角化して新しい電子密度関数D(n)を求める(S17−2)。即ち、固有値問題|Frs−εSrs|=0を解く。なお、D(n)は、n回目の演算によって求められた電子密度であることを示す。また、εは、軌道エネルギーを示す。 Next, the equation calculation unit 114 substitutes the initial electron density D (0) for Put in Expression (8) and diagonalizes the F matrix to obtain a new electron density function D (n) (S17-2). That is, the eigenvalue problem | F rs −εS rs | = 0 is solved. Note that D (n) indicates the electron density obtained by the nth calculation. Moreover, (epsilon) shows orbital energy.

次に、方程式演算部114は、新しく求めた電子密度D(n)がその前の電子密度D(n−1)に一致するか否かを判断する(S17−3)。判断の結果、一致しない場合(No)には、方程式演算部114は、処理をS17−1に戻し、再び新しい電子密度を求め、一致する場合(Yes)には、方程式演算部114は、求めた電子密度から電子の波動関数及び全エネルギーを求める。即ち、方程式演算部114は、新しく求めた電子密度D(n)が前の電子密度D(n−1)に一致するまで繰り返し、F行列を解く。このような解法は、自己無撞着場法(Self-consistent field)と一般に呼ばれている。初期電子密度D(0)は、この繰り返し計算の出発点となる値であるので、任意の値でよく、例えば、0でもよい。   Next, the equation calculation unit 114 determines whether or not the newly obtained electron density D (n) matches the previous electron density D (n−1) (S17-3). As a result of the determination, if they do not match (No), the equation calculation unit 114 returns the processing to S17-1 to obtain a new electron density again, and if they match (Yes), the equation calculation unit 114 obtains the new electron density. The electron wave function and total energy are obtained from the measured electron density. That is, the equation calculation unit 114 repeats until the newly obtained electron density D (n) matches the previous electron density D (n−1) and solves the F matrix. Such a solution is generally called a self-consistent field method. Since the initial electron density D (0) is a value that serves as a starting point for this repeated calculation, it may be an arbitrary value, for example, 0.

F行列による解法では、1個の電子に関するハミルトン演算子を仮定しているため、このような動作によって求めた分子軌道は、電子相関効果が部分的にしか考慮されていない。そこで、演算処理部11は、出力部13に電子相関効果を考慮するか否かを問い合わせる旨の出力を行い(S18)、オペレータによって電子相関効果を考慮する旨の指示が入力されると、演算処理部11の電子相関演算部115は、電子相関効果を演算する(S19)。この電子相関効果を考慮した演算法は、例えば、CI(Configuration Interaction)(配置間相互作用法)、MPn(Mφller-Plesset perturbation theory)法(摂動法)及びMCSCF(Multi Configurational Self Consistent Field)法(多配置SCF法)等が知られている。 In the solution method using the F matrix, a Hamilton operator related to one electron is assumed, and therefore, the molecular orbital obtained by such an operation takes into account only a part of the electron correlation effect . Therefore, the arithmetic processing unit 11 outputs to the output unit 13 whether or not to consider the electronic correlation effect (S18), and when an instruction to consider the electronic correlation effect is input by the operator, The electronic correlation calculation unit 115 of the processing unit 11 calculates the electronic correlation effect (S19). The calculation method considering the electron correlation effect includes, for example, CI (Configuration Interaction) (configuration interaction method), MPn (Mφller-Plesset perturbation theory) method (perturbation method), and MCSCF (Multi Configurational Self Consistent Field) method ( Multi-configuration SCF method) is known.

そして、演算処理部11は、演算結果を出力部13から出力する(S20)。   And the arithmetic processing part 11 outputs a calculation result from the output part 13 (S20).

ここで、上述の実施形態では、NBO基底による特定の相互作用をカットした状態における分子軌道を求める手法について説明したが、処理S14及び処理S15において式(1A)及び式(1B)の代わりに式(9A)及び式(9B)を用いることで、同様の手順によりNHO基底による特定の相互作用をカットした状態における電子状態を求めることができる。   Here, in the above-described embodiment, the method for obtaining the molecular orbitals in a state where a specific interaction by the NBO base is cut has been described. However, instead of the expressions (1A) and (1B) in the processes S14 and S15, the expressions By using (9A) and formula (9B), the electronic state in a state where a specific interaction by the NHO base is cut can be obtained by the same procedure.

Figure 0004870911
Figure 0004870911

Figure 0004870911
Figure 0004870911

以上のように動作することによって、分子軌道演算装置1は、大きな基底関数系で、特定の相互作用をカットした状態における分子の波動関数及び全エネルギーを求めることができる。   By operating as described above, the molecular orbital computing device 1 can obtain a molecular wave function and total energy in a state in which a specific interaction is cut with a large basis function system.

そして、従来のNBOエネルギー解析法(以下、「従来解析法」と略記する。)では、計算された波動関数の段階で特定の相互作用をカットするものである。このため、電子相関を従来解析法に電子相関を考慮するためには、多様な多電子励起配置について相互作用のカットを行う必要があり、従来解析法では、実現されていなかった。一方、本発明に係る分子軌道演算方法(以下、「TS/TB相互作用解析法」と呼称することとする。)では、上述のように積分要素の段階で相互作用のカットを行うので、基底電子配置をはじめ様々な励起電子配置に対しても自動的に相互作用のカットの効果を導入することができ、電子相関を考慮することができる。そして、このことより本発明に係るTS/TB相互作用解析法では、励起状態における相互作用のカットの効果を定量的に解析することができる。   In the conventional NBO energy analysis method (hereinafter abbreviated as “conventional analysis method”), a specific interaction is cut at the stage of the calculated wave function. For this reason, in order to consider the electron correlation in the conventional analysis method, it is necessary to cut the interaction for various multi-electron excitation arrangements, which has not been realized in the conventional analysis method. On the other hand, in the molecular orbital calculation method according to the present invention (hereinafter referred to as “TS / TB interaction analysis method”), the interaction is cut at the integration element stage as described above. The effect of cutting the interaction can be automatically introduced to various excitation electron configurations including the electron configuration, and the electron correlation can be taken into consideration. From this, the TS / TB interaction analysis method according to the present invention can quantitatively analyze the effect of the interaction cut in the excited state.

また、2電子積分のカットについて、例えば、軌道χ−χ間の相互作用をカットする場合を考えると、従来解析法では、F行列の行列要素Frsの中の相互作用に対応するF12及びF21を0に置き換えて一度だけF行列の対角化を行うことになる。即ち、式(8)を参照すると、従来解析法では、F12=0は、Hrs Core及び2電子積分のクーロン項(12|tu)、交換項(1u|t2)を0と置くことを意味する。F12及びF21を除くF行列式の行列要素Frsの中には、2次的に軌道χ−χ間の相互作用を表す項であるクーロン項の(rs|12)や交換項の(r2|1s)が0とならずに残されている。このため、従来解析法では、2電子積分のカットが不完全である。本発明に係るTS/TB相互作用解析法では、積分要素の段階で上述した軌道収縮による相互作用のカットを行うので、F12に含まれる1次的な(12|tu)及び(1u|t2)をはじめ、他の行列要素に含まれる(rs|12)及び(r2|1s)等も自動的に0に収束していく。このため、本発明に係るTS/TB相互作用解析法では、2電子積分のカットが完全である。 Further, regarding the cut of the two-electron integral, for example, when considering the case where the interaction between the trajectories χ 12 is cut, in the conventional analysis method, F 12 corresponding to the interaction in the matrix element Frs of the F matrix. And F 21 is replaced with 0 and the F matrix is diagonalized only once. That is, referring to equation (8), in the conventional analysis method, F 12 = 0 means that H rs Core and the Coulomb term (12 | tu) of the two-electron integral and the exchange term (1u | t2) are set to 0. means. In the matrix element Frs of the F determinant excluding F 12 and F 21 , (rs | 12) of the Coulomb term, which is a term that secondarily represents the interaction between the orbits χ 12, and the exchange term (R2 | 1s) remains without being 0. For this reason, in the conventional analysis method, the cut of the two-electron integral is incomplete. The TS / TB interaction analysis method according to the present invention, since the cutting of the interaction by the above-described trajectory shrinkage at the stage of the integral element, which primarily included in F 12 (12 | tu) and (1u | t2 ) And (rs | 12) and (r2 | 1s) included in other matrix elements automatically converge to 0. For this reason, in the TS / TB interaction analysis method according to the present invention, the two-electron integral cut is complete.

次に、本発明に係るTS/TB相互作用解析法を適用した具体例について説明する。   Next, a specific example to which the TS / TB interaction analysis method according to the present invention is applied will be described.

(第1の具体例)
図5は、アミノメタノールの分子構造を模式的に示す図である。図5(A)は、Anti-periplanarの場合を示し、図5(B)は、Perpendicularの場合を示す。また、各図の右側に窒素原子Nから炭素原子Cの方向に見た図を示す。
(First specific example)
FIG. 5 is a diagram schematically showing the molecular structure of aminomethanol. FIG. 5A shows the case of Anti-periplanar, and FIG. 5B shows the case of Perpendicular. Moreover, the figure seen from the nitrogen atom N to the direction of the carbon atom C is shown on the right side of each figure.

第1の具体例は、アミノメタノールにおける立体電子効果を解析したものであり、窒素原子NのLone pair軌道[n(N)]とC−O間(炭素酸素原子間)の反結合性軌道[σ(C−O)]との関係が反対同平面になるモデル[Anti-periplanar(APP)](図5(A)参照)及び垂直になるモデル[Perpendicular(PPD)](図5(B)参照)のそれぞれにおいて、C−O結合長が標準的なもの(1.43オングストローム)と伸長したもの(1.63オングストローム)とを比較することによって、n−σ相互作用とC−O結合の解離のし易さの関係を解析した。なお、本発明に係るTS/TB相互作用解析法をGAMESSに組み込んで第1の具体例の解析及び後述の第2及び第3の具体例の解析を行った。 The first specific example is an analysis of the steric electronic effect in aminomethanol. The Lone pair orbital [n (N)] of nitrogen atom N and the antibonding orbital between C—O (between carbon and oxygen atoms) [ The model [Anti-periplanar (APP)] (see FIG. 5A) whose relation to σ * (C−O)] is opposite to the same plane and the model [Perpendicular (PPD)] which becomes vertical (see FIG. 5B) ) in each of the reference), by C-O bond length is to compare to that extended the standard ones (1.43 Å) (1.63 Å), n-sigma * interacts with C-O The relationship between the ease of bond dissociation was analyzed. Note that the TS / TB interaction analysis method according to the present invention was incorporated into GAMESS, and the analysis of the first specific example and the second and third specific examples described later were performed.

表1及び表2がその結果である。表1は、全ての分子内相互作用を含む全相互作用を考慮した場合(Full interaction)におけるHFレベル全エネルギー変化△E(HF)、核間反発項の変化△E(N−N)、全電子エネルギー項の変化△E及びMP2摂動全エネルギー変化△E(MP2)である。なお、計算は、MP2(Frozen Core)/6-31G*レベルで行った。 Tables 1 and 2 show the results. Table 1 shows HF level total energy change ΔE (HF), internuclear repulsion term change ΔE (N−N), total when all interactions including all intramolecular interactions are considered (Full interaction). Electron energy term change ΔE 0 and MP2 perturbation total energy change ΔE (MP2). The calculation was performed at the MP2 (Frozen Core) / 6-31G * level.

エネルギー差△Eは、1.63オングストロームの場合のエネルギーE(1.63)と1.43オングストロームの場合のエネルギーE(1.43)との差、即ち、△E=E(1.63)−E(1.43)である。DIFF.は、APPの場合のエネルギー差△E(APP)とPPDの場合のエネルギー差△E(PPD)との差、即ち、DIFF.=△E(APP)−△E(PPD)である。そして、advantage(有利さ)は、APPとPPDとの配座のうち何れの配座がC−O解離に有利であるかを示す。   The energy difference ΔE is the difference between the energy E (1.63) in the case of 1.63 Å and the energy E (1.43) in the case of 1.43 Å, that is, ΔE = E (1.63). -E (1.43). DIFF. Is the difference between the energy difference ΔE (APP) for APP and the energy difference ΔE (PPD) for PPD, ie, DIFF. = ΔE (APP) −ΔE (PPD). Advantage (advantage) indicates which conformation of APP and PPD is advantageous for C—O dissociation.

Figure 0004870911
Figure 0004870911

表1から分かるように、Full interactionの場合では、△E(HF)が小さいAPPモデルの方がPPDモデルよりもC−O結合解離に有利である。また、電子相関の効果は、APPモデルの有利さをさらに増大させる方向に働くことも分かる。この結果は、Lone pair軌道とσ軌道が反対同平面の関係になる場合にn−σ電子移動が促進され、電子がσ軌道へ流入することによって結合が解離し易くなるという立体電子効果の一般概念を支持するものである。 As can be seen from Table 1, in the case of full interaction, the APP model having a small ΔE (HF) is more advantageous for CO bond dissociation than the PPD model. It can also be seen that the effect of the electron correlation works to further increase the advantage of the APP model. This result shows that when the Lone pair orbit and σ * orbit are in the opposite coplanar relationship, the n-σ * electron movement is promoted, and the electrons flow into the σ * orbit and the bonds are easily dissociated. It supports the general concept of effects.

しかしながら、表1のFull interactionの結果だけから考えると、このAPPの有利さは、△Eからではなく、△E(N−N)の緩和に起因していると解釈され、立体電子効果を否定するものである。 However, considering only the result of Full interaction in Table 1, this advantage of APP is interpreted not to be from ΔE 0 but to the relaxation of ΔE (N−N), and the stereoelectronic effect is reduced. It is a denial.

そこで、本発明に係るTS/TB相互作用解析法により、n−σ相互作用をカットした場合を表2に示す。表2は、n−σ相互作用をカットした場合(Cut off n−σ interaction)におけるHFレベル全エネルギー変化△E(HF)、核間反発項の変化△E(N−N)、全電子エネルギー項の変化△E及びMP2レベル全エネルギー変化△E(MP2)である。 Therefore, Table 2 shows the case where the n-σ * interaction is cut by the TS / TB interaction analysis method according to the present invention. Table 2 shows HF level total energy change ΔE (HF), internuclear repulsion change ΔE (N−N), total when n-σ * interaction is cut (Cut off n-σ * interaction). It is the change ΔE 0 in the electron energy term and the total energy change ΔE (MP2) in the MP2 level.

Figure 0004870911
Figure 0004870911

表2から分かるように、Cut off n−σ interactionの場合では、APPモデルとPPDモデルとで△E(HF)は、ほぼ等しい値となった。これは、△E(N−N)におけるAPPの有利さが△Eにおける不利さによって相殺されることに起因していると解釈される。言い換えれば、n−σ相互作用は、APPにおける不利さを消す役割(APPに約−0.005a.uほどの有利さを生じさせる役割)を持っており、その結果、Full interactionの場合では、APPの△E(N−N)の有利さだけが浮かび上がることによって、全エネルギーについて結合解離に対する有利さがAPPに生じていると結論付けることができる。即ち、間接的に立体電子効果(n−σ相互作用)が脱離反応をコントロールしていることが確認できた。 As can be seen from Table 2, in the case of Cut off n−σ * interaction, ΔE (HF) was almost equal between the APP model and the PPD model. This is interpreted to be due to the APP advantage at ΔE (N−N) being offset by the disadvantage at ΔE 0 . In other words, the n-σ * interaction has the role of eliminating the disadvantages in APP (the role that causes an advantage of about -0.005 au to APP). As a result, in the case of Full interaction It can be concluded that only the ΔE (N−N) advantage of APP emerges, and that APP has an advantage for bond dissociation for all energies. That is, it was confirmed that the stereoelectronic effect (n-σ * interaction) indirectly controls the elimination reaction.

さらに全電子エネルギーの挙動を詳細に調べるために、△Eに対するn−σ相互作用の寄与分、即ち、Full interactionの場合とCut off n−σ interactionの場合との差を、電子間反発項の変化△E(e−e)、核−電子引力項の変化△E(N−e)及び運動エネルギー項の変化△E(Kinetic)に分け、その結果を表3に示す。表3は、全電子エネルギー変化△Eに対するn−σ相互作用の寄与分を示す。 Furthermore, in order to investigate the behavior of the total electron energy in detail, the contribution of the n−σ * interaction to ΔE 0 , that is, the difference between the full interaction and the cut off n−σ * interaction is The results are shown in Table 3, which are divided into a change in repulsion term ΔE (ee), a change in nuclear-electron attractive term ΔE (Ne), and a change in kinetic energy term ΔE (Kinetic). Table 3 shows the contribution of n-σ * interaction to the total electron energy change ΔE 0 .

Figure 0004870911
Figure 0004870911

表3から分かるように、共鳴積分に相当する△E(N−e)及び△E(Kinetic)は、APPが有利であり、二次的な項である△E(e−e)は、PPDに有利に働く。従って、アミノメタノールにおける立体電子効果が共鳴積分に対応した項から生じていることが分かる。   As can be seen from Table 3, APP is advantageous for ΔE (N−e) and ΔE (Kinetic) corresponding to the resonance integral, and ΔE (ee), a secondary term, is PPD. Work in favor of. Therefore, it can be seen that the steric electronic effect in aminomethanol arises from the term corresponding to the resonance integral.

次に、別の具体例について説明する。   Next, another specific example will be described.

(第2の具体例)
図6は、臭化アリル及び臭化プロピルの分子構造及びS2反応の活性化エネルギーを示す図である。図6(A)は、臭化アリルを示し、図6(B)は、臭化プロピルを示し、図6(C)は、S2反応の活性化エネルギーを示す。なお、図6(A)、(B)において、アリル基及びプロピル基における炭素Cと水素Hとは、省略されている。また、図6(C)は、反応座標とエネルギーの関係を模式的に示したものである(左側は臭化アリルを示し、右側は臭化プロピルを示す。)
(Second specific example)
FIG. 6 is a diagram showing the molecular structures of allyl bromide and propyl bromide and the activation energy of the S N 2 reaction. FIG. 6 (A) shows allyl bromide, FIG. 6 (B) shows propyl bromide, and FIG. 6 (C) shows the activation energy of the S N 2 reaction. In FIGS. 6A and 6B, carbon C and hydrogen H in the allyl group and the propyl group are omitted. FIG. 6C schematically shows the relationship between reaction coordinates and energy (the left side shows allyl bromide and the right side shows propyl bromide).

例えば、「Kirby,A.J.Stereoelectronic Effects;Oxford University,Oxford,1996」によれば、臭化アリルのS2反応(求核試薬はNPhMe)は、臭化エチルのS2反応に較べて100倍以上速く反応することが知られているが、分子軌道レベルでは、解析が行われていない。 For example, according to “Kirby, AJStereoelectronic Effects; Oxford University, Oxford, 1996”, the S N 2 reaction of allyl bromide (the nucleophile is NPhMe 2 ) is 100 times the S N 2 reaction of ethyl bromide. It is known to react faster than this, but no analysis has been performed at the molecular orbital level.

そこで、第2の具体例は、臭化アリル(CH=CH−CH−Br)(図6(A)参照)及び臭化プロピル(CH−CH−CH−Br)(図6(B)参照)に対するS2反応(求核試薬はアンモニアNH)の違いについて解析したものである。 Therefore, the second specific examples are allyl bromide (CH 2 ═CH—CH 2 —Br) (see FIG. 6A) and propyl bromide (CH 2 —CH 2 —CH 2 —Br) (FIG. 6). (B)) is analyzed for the difference in the S N 2 reaction (the nucleophile is ammonia NH 3 ).

まず、電子相関を考慮していないHF/6−31Gレベルのエネルギー計算(構造最適化はHF/6−31Gレベルの計算で行った。)により、S2反応の活性化エネルギー(反応物側の中間体のエネルギーと遷移状態のエネルギー差)を各モデルについて求めたところ、臭化アリルが35.8kcal/molであり、臭化プロピルが35.9kcal/molでほとんど差のない値を示した。 First, the activation energy (reaction of the S N 2 reaction) was calculated by calculating the energy of the HF / 6-31G * level without considering the electron correlation (the structural optimization was performed by calculating the HF / 6-31G * level). The difference between the energy of the intermediate on the product side and the energy of the transition state) was determined for each model. As a result, allyl bromide was 35.8 kcal / mol and propyl bromide was 35.9 kcal / mol. Indicated.

一方、本発明により、電子相関を考慮したMP2/6−31Gレベルのエネルギー計算により、S2反応の活性化エネルギーを各モデルについて求めたところ、臭化アリルが34.5kcal/mol(図6(C)左側実線参照)であり、臭化プロピルが37.0kcal/mol(図6(C)右側実線参照)であった。 On the other hand, according to the present invention, the activation energy of the S N 2 reaction was determined for each model by MP2 / 6-31G * level energy calculation taking into account the electron correlation. As a result, allyl bromide was found to be 34.5 kcal / mol (see FIG. 6 (C) left solid line), and propyl bromide was 37.0 kcal / mol (see right solid line in FIG. 6C).

これは、臭化アリルが臭化プロピルに較べて2.5kcal/molだけ活性化エネルギーが小さく、反応性が高いことを示しており、上述の事実を支持するものである。また、電子相関を考慮しないと活性化エネルギーに有意な差が見られないことから、この系では電子相関を含めた解析が必要であり、従来解析法では解析できない。   This indicates that allyl bromide has a lower activation energy by 2.5 kcal / mol than propyl bromide and has high reactivity, and supports the above-mentioned fact. In addition, since significant difference in activation energy is not seen unless electron correlation is taken into account, this system requires analysis including electron correlation and cannot be analyzed by the conventional analysis method.

次に、MP2/6−31Gレベルにおいて、σ−π相互作用を本発明に係るTS/TB相互作用解析法を用いてカットした状態の臭化アリルの活性化エネルギーを計算したところ、37.7kcal/molであった(図6(C)左側破線参照)。 Next, the activation energy of allyl bromide in a state where the σ-π * interaction was cut using the TS / TB interaction analysis method according to the present invention at the MP2 / 6-31G level was calculated. 7 kcal / mol (see the broken line on the left side of FIG. 6C).

以上の事実から、σ−π相互作用の寄与により、臭化アリルの活性化エネルギーが37.7−34.5=3.2kcal/molだけ小さくなっており、その結果、遷移状態が安定化されていると言える。そして、σ−π相互作用がカットされた臭化アリルの活性化エネルギー(37.7kcal/mol)は、π軌道を持たない臭化プロピルの活性化エネルギー(37.0kacl/mol)に近似していると言える。 From the above facts, the activation energy of allyl bromide is reduced by 37.7-34.5 = 3.2 kcal / mol due to the contribution of σ-π * interaction, and as a result, the transition state is stabilized. It can be said that. The activation energy (37.7 kcal / mol) of allyl bromide from which the σ-π * interaction is cut approximates the activation energy (37.0 kacl / mol) of propyl bromide having no π orbitals. It can be said that.

この結果は、「π軌道が関与した立体電子効果による遷移状態の安定化」という実験事実から導かれる仮説が本発明に係るTS/TB相互作用解析法により電子相関を含めた定量的な議論によって証明されたことを意味する。   This result shows that the hypothesis derived from the experimental fact of “stabilization of transition state by steric electronic effect involving π orbital” is based on quantitative discussion including electron correlation by the TS / TB interaction analysis method according to the present invention. It means that it has been proved.

次に、別の具体例について説明する。   Next, another specific example will be described.

(第3の具体例)
第3の具体例は、臭化アリルにおけるσ−π相互作用が反応座標の何れの位置で最大になるかについて解析したものである。
(Third example)
The third specific example is an analysis on which position in the reaction coordinates the σ-π * interaction in allyl bromide becomes maximum.

図7は、本発明に係るTS/TB相互作用解析法による、臭化アリルにおけるσ−π相互作用をカットする前(FULL)と後(CUT)とのエネルギー差を示す図である。図7の横軸は、反応座標であり、その縦軸は、a.u.単位で表したエネルギー差である。図8は、溶媒効果による遷移状態位置のシフトを示す図である。図8の横軸は、反応座標であり、その縦軸は、a.u.単位で表したエネルギーである。 FIG. 7 is a diagram showing the energy difference between before (FULL) and after (CUT) the σ-π * interaction in allyl bromide by the TS / TB interaction analysis method according to the present invention. The horizontal axis in FIG. 7 is the reaction coordinate, and the vertical axis is the energy difference expressed in au units. FIG. 8 is a diagram showing a shift of the transition state position due to the solvent effect. The horizontal axis in FIG. 8 is reaction coordinates, and the vertical axis is energy expressed in au units.

σ−π相互作用をカットする前(FULL)と後(CUT)とのエネルギー差は、σ−π相互作用のエネルギー的な寄与であり、図7から分かるように、σ−π相互作用のエネルギー的な寄与は、遷移状態においてではなく、わずかに反応物側である。 the energy difference between the previous (FULL) and after (CUT) to cut the sigma-[pi * interaction is an energy contribution of sigma-[pi * interactions, as can be seen from Figure 7, σ-π * mutual The energetic contribution of the action is slightly on the reactant side, not in the transition state.

ここで、以上の解析は、気相中のものであり、溶媒の効果を全く考慮していない。そこで、誘電率を考慮することによって溶媒の効果を取り入れることができるPCM(Polarizable continuum model)法を用いて同様に遷移状態及び固有反応座標を求めた結果を図8に示す。図8から分かるように、溶媒効果を導入することによって遷移状態の位置が反応物側にシフト(移動)しており、σ−π相互作用の寄与の最大値が溶媒効果を入れた遷移状態の位置に一致している。 Here, the above analysis is in the gas phase and does not consider the effect of the solvent at all. Accordingly, FIG. 8 shows the result of obtaining the transition state and the intrinsic reaction coordinates in the same manner by using a PCM (Polarizable continuum model) method that can take in the effect of the solvent by considering the dielectric constant. As can be seen from FIG. 8, by introducing the solvent effect, the position of the transition state is shifted (moved) to the reactant side, and the maximum value of the contribution of σ-π * interaction is the transition state in which the solvent effect is added. Match the position of.

なお、上述の実施形態では、演算対象物内の各相互作用を1つずつカットしたAOラージ積分要素を相互作用ごとにそれぞれ予め演算して記憶しておくように構成したが、上述の処理S13を省略し、処理S16でカットする相互作用のAOラージ積分要素のみを演算し、これを変換行列U(AO→NBO)を作用させ、NBO基底に変換するように構成してもよい。   In the above-described embodiment, the AO large integral element obtained by cutting each interaction in the calculation target one by one is calculated and stored in advance for each interaction, but the above-described processing S13 is performed. May be omitted, and only the AO large integral element of the interaction to be cut in step S16 may be calculated, and this may be converted into an NBO basis by applying a transformation matrix U (AO → NBO).

また、上述の実施形態では、変換行列U(AO→NBO)及び変換行列U(AO→NHO)を予め求め、本発明に係る分子軌道演算装置1に組み込んでおく場合について説明したが、既存のソフトウェアに本発明を組み込む場合には、変換行列U(AO→NBO)及び変換行列U(AO→NHO)が既存のソフトウェア上から直接分からない場合がある。このような場合には、既存のソフトウェアを用いてAO基底関数、NBO基底関数及びNHO基底関数を一旦求めてから、AO基底関数とNBO基底関数とを用いて変換行列U(AO→NBO)を求め、また、AO基底関数とNHO基底関数とを用いて変換行列U(AO→NHO)を求めるように構成してもよい。   In the above-described embodiment, the case where the transformation matrix U (AO → NBO) and the transformation matrix U (AO → NHO) are obtained in advance and incorporated into the molecular orbital computing device 1 according to the present invention has been described. When the present invention is incorporated in software, the transformation matrix U (AO → NBO) and the transformation matrix U (AO → NHO) may not be directly known from existing software. In such a case, the AO basis function, the NBO basis function, and the NHO basis function are once obtained using existing software, and then the transformation matrix U (AO → NBO) is obtained using the AO basis function and the NBO basis function. Alternatively, the transformation matrix U (AO → NHO) may be obtained using the AO basis function and the NHO basis function.

分子軌道演算装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of a molecular orbital calculating apparatus. 軌道収縮による相互作用の人為的なカットを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the artificial cut of the interaction by orbital contraction. 分子軌道演算装置の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of a molecular orbital calculating apparatus. 2電子積分のAO基底からNBO基底への変換する具体例の対象系を示す図である。It is a figure which shows the object system of the specific example converted from the AO base of 2 electron integration to the NBO base. アミノメタノールの分子構造を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the molecular structure of aminomethanol. 臭化アリル及び臭化プロピルの分子構造及びS2反応の活性化エネルギーを示す図である。It is a figure which shows the molecular structure and activation energy of S N2 reaction of allyl bromide and propyl bromide. 本発明に係るTS/TB相互作用解析法による、臭化アリルにおけるσ−π相互作用をカットする前(FULL)と後(CUT)とのエネルギー差を示す図である。It is a figure which shows the energy difference of before (FULL) and after (CUT) cutting the (sigma) -pi * interaction in allyl bromide by the TS / TB interaction analysis method based on this invention. 溶媒効果による遷移状態位置のシフトを示す図である。It is a figure which shows the shift of the transition state position by a solvent effect.

1 分子軌道演算装置
11 演算処理部
12 入力部
13 出力部
16 補助記憶部
111 積分演算部
112 基底変換部
113 積分要素置換部
114 方程式演算部
115 電子相関演算部
161 ノーマル積分記憶部
162 ラージ積分記憶部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Molecular orbital calculation apparatus 11 Operation processing part 12 Input part 13 Output part 16 Auxiliary storage part 111 Integral operation part 112 Basis conversion part 113 Integration element substitution part 114 Equation calculation part 115 Electronic correlation calculation part 161 Normal integration storage part 162 Large integral storage Part

Claims (5)

コンピュータによって構成した、ハートリー・フォック・ローターン方程式により分子の電子状態を求める分子軌道演算装置において、
前記分子の構造データ及び無いものとしたい相互作用を示すカット情報を入力する入力部と、
通常の軌道指数を持つ基底関数を用いて演算された分子軌道法における積分要素をノーマル積分要素として記憶するノーマル積分記憶部と
実質的に無限大まで増大させた軌道指数を持つ基底関数を用いて演算された分子軌道法における積分要素をラージ積分要素として記憶するラージ積分記憶部と
通常の軌道指数を持つ基底関数を用いて、分子軌道法における重なり積分、運動エネルギー積分、核−電子引力エネルギー積分及び2電子積分における原子軌道基底の積分要素を前記構造データの前記分子について演算して前記ノーマル積分記憶部に記憶すると共に、実質的に無限大まで増大させた軌道指数を持つ基底関数を用いて、分子軌道法における重なり積分、運動エネルギー積分、核−電子引力エネルギー積分及び2電子積分における原子軌道基底の積分要素を前記分子内の各相互作用について相互作用の無いものとした後の積分要素としてそれぞれ演算して前記ラージ積分記憶部に記憶する積分演算部と、
前記ノーマル積分記憶部に記憶されている前記原子軌道基底のノーマル積分要素を自然混成軌道基底又は自然結合軌道基底の積分要素に変換して前記ノーマル積分記憶部に記憶すると共に、前記ラージ積分記憶部に記憶されている前記原子軌道基底のラージ積分要素を自然混成軌道基底又は自然結合軌道基底の積分要素に変換して前記ラージ積分記憶部に記憶する基底変換部と、
前記ノーマル積分記憶部に記憶されている自然混成軌道基底又は自然結合軌道基底の積分要素のうちにおいて前記カット情報に対応する相互作用の積分要素を、前記ラージ積分記憶部に記憶されている自然混成軌道基底又は自然結合軌道基底の積分要素に置き換える積分要素置換部と、
前記積分要素置換部で置き換えられた積分要素を用いたハートリー・フォック・ローターン方程式を解く方程式演算部と、
前記方程式演算部の演算結果を出力する出力部とを備えること
を特徴とする分子軌道演算装置。
In a molecular orbital computing device that calculates the electronic state of a molecule using the Hartree-Fock-Lautern equation,
An input unit for inputting cut information indicating the structure data of the molecule and an interaction to be absent;
A normal integral storage unit that stores integral elements in the molecular orbital method calculated using basis functions having ordinary orbital indices as normal integral elements ;
A large integral storage unit for storing the integral element in the molecular orbital method calculated using a basis function having an orbital index increased substantially to infinity as a large integral element ;
Using the basis function having the normal orbital index, the overlap integral, kinetic energy integral, nucleus-electron attractive energy integral in the molecular orbital method, and the atomic orbital basis integral element in the two-electron integral are calculated for the molecule of the structural data. the stores in the normal integral storage unit, by using the basis function having a track index has increased to substantially infinite, integral overlap of the molecular orbital method, kinetic energy integration, nuclear Te - electron attractive energy integration and 2 electrons An integration operation unit that calculates the integration element of the atomic orbital basis in the integration as an integration element after each interaction in the molecule has no interaction, and stores the integration element in the large integration storage unit ;
Converting the normal integration element of the atomic orbital basis stored in the normal integration storage unit into an integration element of a natural hybrid orbital basis or a natural coupling orbital base and storing it in the normal integration storage unit, and the large integration storage unit A base conversion unit that converts the large orbital basis element of the atomic orbital basis stored in a natural hybrid orbital basis or the natural orbital basis integration element and stores it in the large integration storage unit ;
Of the integration elements of the natural hybrid orbital basis or the natural coupled orbital base stored in the normal integration storage unit, the interaction component corresponding to the cut information is stored in the large integration storage unit. An integration element replacement unit that replaces an integration element of an orbital basis or a natural coupled orbital basis ;
An equation calculation unit that solves the Hartree-Fock-Lautern equation using the integration element replaced by the integration element replacement unit;
A molecular orbital calculation device comprising: an output unit that outputs a calculation result of the equation calculation unit.
前記方程式演算部の演算結果に対して電子相関効果を、配置間相互作用法((Configuration Interaction、CI)法)、摂動法((Mφller-Plesset perturbation theory、MPn)法)及び多配置SCF法((Multi Configurational Self Consistent Field、MCSCF)法)のいずれかに基づいて演算する電子相関演算部をさらに備え、
前記出力部は、電子相関演算部の演算結果を出力すること
を特徴とする請求項1に記載の分子軌道演算装置。
For the calculation result of the equation calculation unit, an electron correlation effect is obtained by using a configuration interaction method ((Configuration Interaction, CI) method), a perturbation method ((Mφller-Plesset perturbation theory, MPn) method) and a multi-configuration SCF method ( (Multi Configurational Self Consistent Field, MCSCF) method)
The molecular orbital computing device according to claim 1, wherein the output unit outputs a calculation result of an electron correlation calculation unit.
コンピュータによって実行される、ハートリー・フォック・ローターン方程式により分子の電子状態を求める分子軌道演算方法において、
前記分子の構造データ及び無いものとしたい相互作用を示すカット情報を入力する入力ステップと、
通常の軌道指数を持つ基底関数を用いて、分子軌道法における重なり積分、運動エネルギー積分、核−電子引力エネルギー積分及び2電子積分における原子軌道基底の積分要素を前記構造データの前記分子について演算して原子軌道基底のノーマル積分要素とすると共に、実質的に無限大まで増大させた軌道指数を持つ基底関数を用いて、分子軌道法における重なり積分、運動エネルギー積分、核−電子引力エネルギー積分及び2電子積分における原子軌道基底の積分要素を前記分子内の各相互作用について相互作用の無いものとした後の積分要素としてそれぞれ演算して原子軌道基底のラージ積分要素とする積分演算ステップと、
前記積分演算ステップで演算された前記原子軌道基底のノーマル積分要素を自然混成軌道基底又は自然結合軌道基底の積分要素に変換すると共に、前記積分演算ステップで演算された前記原子軌道基底のラージ積分要素を自然混成軌道基底又は自然結合軌道基底の積分要素に変換する基底変換ステップと、
前記基底変換ステップで変換された自然混成軌道基底又は自然結合軌道基底のノーマル積分要素のうちにおいて前記カット情報に対応する相互作用の積分要素を、前記基底変換ステップで変換された自然混成軌道基底又は自然結合軌道基底のラージ積分要素に置き換える積分要素置換ステップと、
前記積分要素置換ステップで置き換えられた積分要素を用いたハートリー・フォック・ローターン方程式を解く方程式演算ステップと、
前記方程式演算ステップの演算結果を出力する出力ステップとを備えること
を特徴とする分子軌道演算方法。
In a molecular orbital calculation method for calculating an electronic state of a molecule by the Hartree-Fock-Lautern equation executed by a computer ,
An input step of inputting the structure data of the molecule and cut information indicating an interaction to be absent;
Using the basis function having the normal orbital index, the overlap integral, kinetic energy integral, nucleus-electron attractive energy integral in the molecular orbital method, and the atomic orbital basis integral element in the two-electron integral are calculated for the molecule of the structural data. Using the basis function having the orbital index increased to substantially infinite while using the normal integral element of the atomic orbital basis, the overlap integral, kinetic energy integral, nucleus-electron attractive energy integral and 2 in the molecular orbital method are used. An integration operation step of calculating an atomic orbital basis integral element in electron integration as an integral element after making each interaction in the molecule non- interacting to be a large integral element of atomic orbital basis ;
The normal integration element of the atomic orbital basis calculated in the integration calculation step is converted into an integration element of a natural hybrid orbital basis or a natural coupling orbital base, and the atomic orbital basis large integration element calculated in the integration calculation step A basis transformation step for transforming into an integral element of a natural hybrid orbital basis or a natural coupled orbital basis;
Among the natural hybrid orbital bases or natural coupled orbital base normal integral elements transformed in the basis transformation step, the interaction integral elements corresponding to the cut information are converted into the natural hybrid orbital bases transformed in the basis transformation step or An integral element replacement step for replacing the natural integral orbital basis with a large integral element;
Equation calculation step for solving the Hartree-Fock-Lautern equation using the integration element replaced in the integration element replacement step;
A molecular orbital calculation method comprising: an output step of outputting a calculation result of the equation calculation step.
ハートリー・フォック・ローターン方程式により分子の電子状態を求める、コンピュータに実行させるための分子軌道演算プログラムにおいて、
前記分子の構造データ及び無いものとしたい相互作用を示すカット情報を入力する入力ステップと、
通常の軌道指数を持つ基底関数を用いて、分子軌道法における重なり積分、運動エネルギー積分、核−電子引力エネルギー積分及び2電子積分における原子軌道基底の積分要素を前記構造データの前記分子について演算して原子軌道基底のノーマル積分要素とすると共に、実質的に無限大まで増大させた軌道指数を持つ基底関数を用いて、分子軌道法における重なり積分、運動エネルギー積分、核−電子引力エネルギー積分及び2電子積分における原子軌道基底の積分要素を前記分子内の各相互作用について相互作用の無いものとした後の積分要素としてそれぞれ演算して原子軌道基底のラージ積分要素とする積分演算ステップと、
前記積分演算ステップで演算された前記原子軌道基底のノーマル積分要素を自然混成軌道基底又は自然結合軌道基底の積分要素に変換すると共に、前記積分演算ステップで演算された前記原子軌道基底のラージ積分要素を自然混成軌道基底又は自然結合軌道基底の積分要素に変換する基底変換ステップと、
前記基底変換ステップで変換された自然混成軌道基底又は自然結合軌道基底のノーマル積分要素のうちにおいて前記カット情報に対応する相互作用の積分要素を、前記基底変換ステップで変換された自然混成軌道基底又は自然結合軌道基底のラージ積分要素に置き換える積分要素置換ステップと、
前記積分要素置換ステップで置き換えられた積分要素を用いたハートリー・フォック・ローターン方程式を解く方程式演算ステップと、
前記方程式演算ステップの演算結果を出力する出力ステップとを備えること
を特徴とする分子軌道演算プログラム。
In the molecular orbital calculation program for computer to calculate the electronic state of the molecule by the Hartree-Fock-Lautern equation,
An input step of inputting the structure data of the molecule and cut information indicating an interaction to be absent;
Using the basis function having the normal orbital index, the overlap integral, kinetic energy integral, nucleus-electron attractive energy integral in the molecular orbital method, and the atomic orbital basis integral element in the two-electron integral are calculated for the molecule of the structural data. Using the basis function having the orbital index increased to substantially infinite while using the normal integral element of the atomic orbital basis, the overlap integral, kinetic energy integral, nucleus-electron attractive energy integral and 2 in the molecular orbital method are used. An integration operation step of calculating an atomic orbital basis integral element in electron integration as an integral element after making each interaction in the molecule non- interacting to be a large integral element of atomic orbital basis ;
The normal integration element of the atomic orbital basis calculated in the integration calculation step is converted into an integration element of a natural hybrid orbital basis or a natural coupling orbital base, and the atomic orbital basis large integration element calculated in the integration calculation step A basis transformation step for transforming into an integral element of a natural hybrid orbital basis or a natural coupled orbital basis;
Among the natural hybrid orbital bases or natural coupled orbital base normal integral elements transformed in the basis transformation step, the interaction integral elements corresponding to the cut information are converted into the natural hybrid orbital bases transformed in the basis transformation step or An integral element replacement step for replacing the natural integral orbital basis with a large integral element;
Equation calculation step for solving the Hartree-Fock-Lautern equation using the integration element replaced in the integration element replacement step;
A molecular orbital calculation program comprising: an output step for outputting a calculation result of the equation calculation step.
ハートリー・フォック・ローターン方程式により分子の電子状態を求める、コンピュータに実行させるための分子軌道演算プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体において、
前記分子軌道演算プログラムは、
前記分子の構造データ及び無いものとしたい相互作用を示すカット情報を入力する入力ステップと、
通常の軌道指数を持つ基底関数を用いて、分子軌道法における重なり積分、運動エネルギー積分、核−電子引力エネルギー積分及び2電子積分における原子軌道基底の積分要素を前記構造データの前記分子について演算して原子軌道基底のノーマル積分要素とすると共に、実質的に無限大まで増大させた軌道指数を持つ基底関数を用いて、分子軌道法における重なり積分、運動エネルギー積分、核−電子引力エネルギー積分及び2電子積分における原子軌道基底の積分要素を前記分子内の各相互作用について相互作用の無いものとした後の積分要素としてそれぞれ演算して原子軌道基底のラージ積分要素とする積分演算ステップと、
前記積分演算ステップで演算された前記原子軌道基底のノーマル積分要素を自然混成軌道基底又は自然結合軌道基底の積分要素に変換すると共に、前記積分演算ステップで演算された前記原子軌道基底のラージ積分要素を自然混成軌道基底又は自然結合軌道基底の積分要素に変換する基底変換ステップと、
前記基底変換ステップで変換された自然混成軌道基底又は自然結合軌道基底のノーマル積分要素のうちにおいて前記カット情報に対応する相互作用の積分要素を、前記基底変換ステップで変換された自然混成軌道基底又は自然結合軌道基底のラージ積分要素に置き換える積分要素置換ステップと、
前記積分要素置換ステップで置き換えられた積分要素を用いたハートリー・フォック・ローターン方程式を解く方程式演算ステップと、
前記方程式演算ステップの演算結果を出力する出力ステップとを備えること
を特徴とする記録媒体。
In a computer-readable recording medium on which a molecular orbital calculation program for causing a computer to execute is obtained, which calculates the electronic state of a molecule by the Hartree-Fock-Lautern equation,
The molecular orbital calculation program is:
An input step of inputting the structure data of the molecule and cut information indicating an interaction to be absent;
Using the basis function having the normal orbital index, the overlap integral, kinetic energy integral, nucleus-electron attractive energy integral in the molecular orbital method, and the atomic orbital basis integral element in the two-electron integral are calculated for the molecule of the structural data. Using the basis function having the orbital index increased to substantially infinite while using the normal integral element of the atomic orbital basis, the overlap integral, kinetic energy integral, nucleus-electron attractive energy integral and 2 in the molecular orbital method are used. An integration operation step of calculating an atomic orbital basis integral element in electron integration as an integral element after making each interaction in the molecule non- interacting to be a large integral element of atomic orbital basis ;
The normal integration element of the atomic orbital basis calculated in the integration calculation step is converted into an integration element of a natural hybrid orbital basis or a natural coupling orbital base, and the atomic orbital basis large integration element calculated in the integration calculation step A basis transformation step for transforming into an integral element of a natural hybrid orbital basis or a natural coupled orbital basis;
Among the natural hybrid orbital bases or natural coupled orbital base normal integral elements transformed in the basis transformation step, the interaction integral elements corresponding to the cut information are converted into the natural hybrid orbital bases transformed in the basis transformation step or An integral element replacement step for replacing the natural integral orbital basis with a large integral element;
Equation calculation step for solving the Hartree-Fock-Lautern equation using the integration element replaced in the integration element replacement step;
An output step for outputting the calculation result of the equation calculation step.
JP2004049840A 2004-02-25 2004-02-25 Molecular orbital calculation device, method, program and recording medium Expired - Fee Related JP4870911B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004049840A JP4870911B2 (en) 2004-02-25 2004-02-25 Molecular orbital calculation device, method, program and recording medium

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004049840A JP4870911B2 (en) 2004-02-25 2004-02-25 Molecular orbital calculation device, method, program and recording medium

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2005242563A JP2005242563A (en) 2005-09-08
JP4870911B2 true JP4870911B2 (en) 2012-02-08

Family

ID=35024261

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004049840A Expired - Fee Related JP4870911B2 (en) 2004-02-25 2004-02-25 Molecular orbital calculation device, method, program and recording medium

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4870911B2 (en)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102929841B (en) * 2012-10-19 2016-06-29 浪潮电子信息产业股份有限公司 A kind of method utilizing GPU acceleration hartree-Fu Ke calculating
KR101566991B1 (en) 2013-07-17 2015-11-06 주식회사 엘지화학 Method for multiple detection of details of molecular orbital by subsets of the entire block and system using the same
KR101606092B1 (en) 2013-07-18 2016-03-24 주식회사 엘지화학 Method for quantitative and comparative analysis of distributions of homo-lumo molecular orbitals and system using the same
KR101614430B1 (en) 2013-07-18 2016-04-21 주식회사 엘지화학 Method for quantitative and comparative analysis of distributions of molecular orbitals in specific molecular region and system using the same
KR101578815B1 (en) 2013-07-19 2015-12-18 주식회사 엘지화학 Method for determining core region of molecular orbital, the method for quantitative test using the same and system using the same
KR101554362B1 (en) 2013-07-19 2015-09-18 주식회사 엘지화학 Method for determining the segmented core area of molecular orbital, the method for quantitative test using the same and system using the same
KR101566993B1 (en) 2013-07-30 2015-11-06 주식회사 엘지화학 Method for analyzing molecular orbital pattern by multiple microscopic-scan and the system for analyzing molecular orbital pattern using the same
KR101622246B1 (en) 2013-08-14 2016-05-18 주식회사 엘지화학 Method for Bridging a gap between qualitative and quantitative observation of molecular orbital
CN116490928A (en) * 2020-11-09 2023-07-25 富士通株式会社 Quantum chemistry calculation program, quantum chemistry calculation method, and quantum chemistry calculation device

Also Published As

Publication number Publication date
JP2005242563A (en) 2005-09-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Werner et al. The Molpro quantum chemistry package
Steinmann et al. Response properties of embedded molecules through the polarizable embedding model
Christensen et al. OrbNet Denali: A machine learning potential for biological and organic chemistry with semi-empirical cost and DFT accuracy
Gastegger et al. Machine learning of solvent effects on molecular spectra and reactions
Fritzsche A fresh computational approach to atomic structures, processes and cascades
Garza et al. Comparison of self-consistent field convergence acceleration techniques
Voora et al. Variational generalized Kohn-Sham approach combining the random-phase-approximation and Green's-function methods
Rong et al. An efficient algorithm for finding the minimum energy path for cation migration in ionic materials
Jean et al. RNA‐Seq read alignments with PALMapper
JP4870911B2 (en) Molecular orbital calculation device, method, program and recording medium
Greene‐Diniz et al. Generalized unitary coupled cluster excitations for multireference molecular states optimized by the variational quantum eigensolver
Nam et al. Measuring density-driven errors using Kohn–Sham inversion
Parzuchowski et al. Ab initio excited states from the in-medium similarity renormalization group
Mayhall et al. Increasing spin-flips and decreasing cost: Perturbative corrections for external singles to the complete active space spin flip model for low-lying excited states and strong correlation
Spotte-Smith et al. Quantum chemical calculations of lithium-ion battery electrolyte and interphase species
Barone et al. New developments of a multifrequency virtual spectrometer: stereo‐electronic, dynamical, and environmental effects on chiroptical spectra
Mejía-Rodríguez et al. Multicomponent density functional theory with density fitting
Aucar et al. Foundations of the LRESC model for response properties and some applications
Schnieders et al. Accurate embedding through potential reconstruction: A comparison of different strategies
He et al. Second-order active-space embedding theory
Tecmer et al. Relativistic methods in computational quantum chemistry
Opoku et al. A new generation of non-diagonal, renormalized self-energies for calculation of electron removal energies
CN113454728A (en) Data processing method, data processing device and data processing system
JP4646064B2 (en) Molecular orbital calculation method and calculation apparatus
Clary et al. Exploring the scaling limitations of the variational quantum eigensolver with the bond dissociation of hydride diatomic molecules

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20070320

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20070501

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20070911

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20071105

A911 Transfer of reconsideration by examiner before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20071115

A912 Removal of reconsideration by examiner before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A912

Effective date: 20071207

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20110516

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20110516

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20111118

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20141125

Year of fee payment: 3

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees