分子指定

このインプットセクションでは,核の位置や,α-, β-スピンの電子数を指定します。核配置の指定法にはいくつかあり,Z-matrix,カーティシャン座標,またそれらを併せたもので指定できます(カーティシャン座標はZ-matrixのちょうど特別なケースです)。

分子指定の最初の行では正味の電子電荷(符号付き整数)とスピン多重度(正の整数)を指定します。したがって,中性分子の一重項状態では,このエントリーは0 1となります。ラジカルアニオンでは,-1 2となります。Geom=CheckPointを用いた場合にこの行は分子指定で唯一必要となります。ルートセクションでGeom=AllCheckを指定した場合には,全ての分子指定行(とタイトルセクション)は省略されます。

分子指定の残りの部分では,分子系の各原子に対する元素タイプと核の位置を指定します。この行の最も一般的なフォーマットは以下の通りです:

元素ラベル[?元素タイプ[?電荷]][(パラメータ=値[, ])] 原子位置パラメータ

各行では元素タイプと,オプションで分子力学の原子タイプと部分電荷を指定します。核パラメータは括弧内で指定します。残りでは原子の位置に関する情報を,カーティシャン座標またはZ-matrix定義で指定します。ここではまず元素タイプと原子位置について取り扱い,その後残りの項目を取り上げます。

分子指定での原子指定の基本フォーマットは次のようになります(オプション項目は全て省略):

Element-label x y z
元素ラベル x y z
Element-label [n] atom1 bond-length atom2 bond-angle atom3 dihedral-angle [format-code]
元素ラベル [n] 原子1 結合距離 原子2 結合角 原子3 2面角 [フォーマットコード]

この例では行内で項目を区切るのにスペースを用いてますが,任意の有効な区切り文字を使うことができます。最初の形式では原子をカーティシャン座標で指定しており,2番目の形式では内部座標で指定してあります。同一の分子指定内でこの2つの形式の行を混ぜることもできます。2番目の形式では,オプションのフォーマットコードパラメータで,Z-matrixインプットのフォーマットを指定します。ここでの説明では,このコードは常に0になっています。このコードは,ONIOM計算のような,追加パラメータを通常のデータに追加する際に必要となります。n はオプションパラメータで,ONIOMを用いた最適化で固定する原子や(まれですが)redundant内部座標を用いて実行しない原子を指定します(詳細はONIOMを参照してください)。

元素ラベルは原子に対する元素記号または原子番号からなる文字列で指定します。元素記号を用いる場合には,その後に別の英数字文字を付けることも可能で,原子を識別するラベルとして用いられます。よく行われるやり方に,元素名の後に例えばC1, C2, C3, …のように識別するための番号を振る方法があります。この手法は従来式の化学番号付けに有用です。

最初の形式では,各行の残りの項目は核位置を指定するカーティシャン座標となります。2番目の形式では,原子1, 原子2, 原子3はそれまでに指定された原子のラベルで,これを用いて現在の原子の位置を決めます(代わりに他の原子の分子指定内での行番号をこの変数の値として用いることもできます。ただし電荷とスピン多重度を行 0とします)。

現在の原子の位置は,原子1との結合距離と,原子1との結合と原子2との結合のなす角と,原子2と原子3の結合と,現在の原子と原子1と原子2を含む面のなす2面(ねじれ)角で指定されます。

以下にエタンに対する2種類の分子指定を示します:

0 1     0,1
C 0.00 0.00 0.00     C1
C 0.00 0.00 1.52     C2,C1,1.5
H 1.02 0.00 -0.39     H3,C1,1.1,C2,111.2
H -0.51 -0.88 -0.39     H4,C1,1.1,C2,111.2,H3,120.
H -0.51 0.88 -0.39     H5,C1,1.1,C2,111.2,H3,-120.
H -1.02 0.00 1.92     H6,C2,1.1,C1,111.2,H3,180.
H 0.51 -0.88 1.92     H7,C2,1.1,C1,111.2,H6,120.
H 0.51 0.88 1.92     H8,C2,1.1,C1,111.2,H6,-120.

左のものはカーティシャン座標で,右のものはサンプルZ-matrix(元素ラベルでの例)です。Z-matrixの最初の3原子には全パラメータは必要なく,4番目の原子で初めてそれまでに定義された原子で全てのパラメータを指定することができます。

以下に同じ分子のZ-matrix形式の別の例を示します:

0 1
C1
C2 C1 RCC
H3 C1 RCH C2 ACCH
H4 C1 RCH C2 ACCH H3 120.
H5 C1 RCH C2 ACCH H3 -120.
H6 C2 RCH C1 ACCH H3 180.
H7 C2 RCH C1 ACCH H6 120.
H8 C2 RCH C1 ACCH H6 -120.
Variables:
RCH = 1.5
RCC = 1.1
ACCH = 111.2>

このZ-matrixでは,結合距離と結合角の値が文字列変数になっています。変数の値は一番最後の原子指定の後,別セクションで与えます。変数定義は原子位置定義とは空行,あるいは次のような行で区切ります:

Variables:

分子の対称性束縛は内部座標に反映されます。C-H結合距離は全て同じ変数となり,C-C結合距離,C-C-H結合角も同様です。

このZ-matrix形式はいつでも用いることができ,内部座標を用いた構造最適化(つまり,Opt=Z-matrix)の開始構造としても必要となります。後者のケースでは,変数で最適化されます。さらに詳しい例はOptキーワードを参照してください。

周期系の指定

周期系はユニットセル(単位格子)で通常の分子指定を行います。別途必要となるインプットは1,2,3次元並進ベクトルのみで,分子指定の後に(空行で区切らずに)追加し,これにより複製方向を指定します。例えば,以下のようなインプットを指定すると,ネオプレン(neoprene)に対する1次元PBCシングルポイント(一点)計算を行います:

# PBEPBE/6-31g(d,p)/Auto SCF=Tight
neoprene, [-CH2-CH=C(Cl)-CH2-] optimized geometry
0 1
C,-1.9267226529,0.4060180273,0.0316702826
H,-2.3523143977,0.9206168644,0.9131400756
H,-1.8372739404,1.1548899113,-0.770750797
C,-0.5737182157,-0.1434584477,0.3762843235
H,-0.5015912465,-0.7653394047,1.2791284293
C,0.5790889876,0.0220081655,-0.3005160849
C,1.9237098673,-0.5258773194,0.0966261209
H,1.772234452,-1.2511397907,0.915962512
H,2.3627869487,-1.0792380182,-0.752511583
Cl,0.6209825739,0.9860944599,-1.7876398696
TV,4.8477468928,0.1714181332,0.5112729831

最後に指定した行が並進ベクトルです。元素記号のところをTVと指定することに注意してください。

以下の分子指定では,BNの2次元PBC計算を行います:

0,1
5 0 -0.635463 0.000000 0.733871
7 0 -0.635463 0.000000 -0.733871
7 0 0.635463 0.000000 1.467642
5 0 0.635463 0.000000 -1.467642
TV 0 0.000000 0.000000 4.403026
TV 0 2.541855 0.000000 0.000000

以下にグラフェンシートの分子指定を示します:

0 1 C 0.000000 0.000000 0.000000
C 0.000000 1.429118 0.000000
TV 2.475315 0.000000 0.000000
TV -1.219952 2.133447 0.000000

最後に,ガリウムヒ素の3次元PBC計算の分子指定を示します:

0 1
Ga 0.000000 0.000000 0.000000
Ga 0.000000 2.825000 2.825000
Ga 2.825000 0.000000 2.825000
Ga 2.825000 2.825000 0.000000
As 1.412500 1.412500 1.412500
As 1.412500 4.237500 4.237500
As 4.237500 1.412500 4.237500
As 4.237500 4.237500 1.412500
TV 5.650000 0.000000 0.000000
TV 0.000000 5.650000 0.000000
TV 0.000000 0.000000 5.650000

分子力学原子タイプ

分子力学計算での分子指定では,原子のタイプと部分電荷の情報も指定できます。以下に例をいくつか示します:

C-CT Specifies an SP3 aliphatic carbon atom. SP3脂肪族炭素原子
C-CT-0.32 Specifies an SP3 aliphatic carbon atom with a partial charge of 0.32. SP3脂肪族炭素原子,0.32の部分電荷
O-O––0.5 Specifies a carbonyl group oxygen atom with a partial charge of -0.5. カルボニル基酸素原子,-0.5の部分電荷

原子タイプとオプションの部分電荷は各原子に対して指定できます。また核パラメータも定義することができ,以下の例のようにします:

C-CT(Iso=13) C-CT––0.1(Spin=3)

ゴースト原子の指定

力学タイプをBqにした原子(たとえば”O-Bq”)は対応する原子をゴースト[393]として設定します。ゴースト原子は,通常の基底関数と数値積分グリッド点は置くが核電荷や電子は置かない原子で,counterpoise計算で必要となります。このような計算は以前のバージョンのGaussianでのMassageによる計算(DFTXC求積でゴースト原子でのグリッド点が含まれます)とは少し異なります。新しい方法では,より整合性のとれた重ね合わせ補正となっており,また使いやすくなっています。counterpoise計算はCounterpoiseキーワードでも指定できることに注意してください。

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