MoleditPy PySCF Calculator Plugin Tutorial

目的

クロロメタン(CH₃Cl)と臭化物イオン(Br^-)のS_N2置換反応を題材に、反応座標のスキャン計算(Relaxed Scan)を行い、エネルギー障壁を見積もります。さらに、その構造を初期値として遷移状態(TS)計算と振動解析を行い、虚振動を確認します。

操作手順

Step 1: 分子の描画と配置

1. 分子の描画:
   • クロロメタン (CH₃Cl) を描画します。
   • その近くに臭化物イオン (Br^-) を描画します。
2. 3D変換:
   • ツールバーの "Convert 2D to 3D" を押して3D構造に変換します。
   
3. 位置調整:
   • "3D Edit > Move Group..." ツール等を使い、Br^- を炭素原子の背面攻撃側（Clの反対側）に配置します。
   
4. 結合距離の調整:
   • "3D Edit > Adjust Bond Length..." ツールを使い、C-Br間の距離を 2.8 Å に設定します。
   

Step 2: リラックススキャン計算 (Relaxed Scan)

1. PySCF Calculatorの起動:
   • Extensions > PySCF Calculator を開きます。
2. スキャン設定:
   • Modeを Relaxed Surface Scan に設定します。
   • "Configure Scan" ボタンを押し、Distanceタブで以下のように設定します:
     • Start: 2.8 Å
     • End: 1.96 Å
     • Steps: 5
   • この設定は、BrがCに近づいていく過程を計算します。
   
3. 計算レベルの設定:
   • Method: RKS (B3LYP)
   • Basis: ma-def2-svp
   • 注: アニオンの計算には ma-def2-svp のような拡散基底関数(diffuse function)を含む基底関数が推奨されます。STO-3Gより時間がかかります。
4. 計算実行: "Run Calculation" をクリックします。時間がかかるので待ちます。

Step 3: エネルギー図と遷移状態の推定

1. 結果の確認:
   • 計算終了後、Energy Diagramを確認します。エネルギー障壁(山なりのグラフ)が表示されているはずです。
   • アニメーション再生ボタンを押し、反応の様子を確認します。
   
2. TS候補の選択:
   • グラフ上の 最もエネルギーが高い点(Highest Point) をクリックします。
   • これにより、そのステップの構造がメイン画面に反映されます。これが遷移状態(TS)の良き初期構造となります。
   

Step 4: 遷移状態(TS)計算と振動解析

1. 計算設定の変更:
   • Calculationタブに戻ります。
   • Job Type: TS Optimization + Frequency に変更します。
   • その他の設定(B3LYP / ma-def2-svp)は変更しません。
   
2. 計算実行: 再度 "Run Calculation" をクリックします。

Step 5: 虚振動の確認

1. 振動モードの確認:
   • 計算完了後、Vibrational Modesリストを確認します。
   • 負の振動数 (Imaginary Frequency) が1つだけ存在することを確認します。これは遷移状態であることを示します。
   • そのモードを選択し、アニメーションで原子が反応座標に沿って動いていることを確認します。