本書の特長

「電子構造論による化学の探究」は計算機化学の入門書です。化学現象の研究に電子構造論をどう適用したらよいかが説明されています。多くの例題や演習が掲載されており、それらはGaussianシリーズを用いて作成されています。
Gaussianを用いて計算化学を行われる方には必読のGaussian利用のための教科書となる本書は、Gaussianを用いる研究室には必携の本であると考えています。
例題や演習のためのGaussianのサンプルファイルはGaussian社のWebページからも入手できます。 http://www.gaussian.com/g_dl/expfiles.zip

計算化学の経験の浅いか、または経験が全くない実験家の方には、電子構造計算への入門書として用いることができます。実験と一緒に使用すると、如何にして電子構造論が化学の問題に新しい洞察力を提供してくれるかを学ぶことができます。

学部上級か大学院初級の物理化学のクラスを受講している学生の方は、教科書の便利な補習書として用いることができます。
学生の方は、実際に計算機による演習問題を通して、電子構造論の基礎的知識を学ぶことができます。
経験を積んだGaussianのユーザーは、新しいプログラムの機能を本書を通して学ぶことができます。

本書は、学習のガイドとして書かれており、電子構造論を化学の系に適用する方法が学べるように、懇切丁寧なアプローチが取られています。自分のペースで学習するのもよいし、クラスで用いるのにも適しています。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

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本書の構成

本書はGaussianクイックスタートのチュートリアルから始まっています。クイックスタートはGaussianの新しいユーザーのために、Gaussianプログラムがすぐ使えるようにデザインされたものです。残りの部分は、三つの部分に分かれています。

第一部の基本的概念とテクニックは、計算機化学と電子構造論を用いて予測する主な方法を紹介しています。本書で扱われている電子構造計算に対して基礎となる理論的かつ哲学的なアプローチ、それから基本的な手続きと計算を実行するためのテクニックが与えてあります。
第二部のモデル化学は、すべての主となる電子構造モデルの精度、応用性、その他の特性とトレードオフを深く検討しています。また、特定の問題に対して最良のモデルを選択する際の推奨も与えてあります。
第三部の応用は、実際の研究の状況にのっとって、電子構造計算を議論しています。様々な化学の問題を明らかにするためにどのように電子構造計算を応用するかに焦点を当ててあります。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
本書の個々の章の内容
第一章の"計算モデルとモデル化学"では、計算機化学の概要及び計算化学における電子構造論の位置付けについて議論しています。電子構造計算に用いられている理論的方法と手続きも同時に説明してあります。

第二章の"シングルポイントエネルギー計算"は、特定の分子構造におけるエネルギー計算と諸性質を議論しています。

第三章の"構造最適化"では、如何にして分子の平衡構造を探すか、つまりポテンシャルエネルギー面において如何にして定留点を探すかを述べています。よく用いられている種々の最適化の概要、それから遷移状態の最適化とエネルギー最小化について説明しています。

第四章の"振動数計算"では、エネルギーの二次微分の計算と、そのIRとラマン振動数、それらの強度、また振動基準モードなどの予測の応用について議論しています。また、二次微分の他の利用、例えば、構造最適化中に見つかった定留点が、エネルギー最小値か或いは遷移状態か判断するための応用についても述べています。

第五章の"基底依存性"から第二部の"モデル化学"に入ります。ここでは、最も重要な標準基底系を挙げ、基底系選択の際の原理を述べています。また、開殻と閉殻計算の違いも説明しています。

第六章の"適切な理論的方法の選択"では、第一章で紹介されたモデル化学の概念を詳しく議論しています。ここでは、種々の汎用法の特長、計算のコスト、限界について述べる。半経験方法に始まり、Hartree-Fock法、密度汎関数法と進み、最後に電子相関法で締めくくってあります。

第七章の"高精度エネルギーモデル"では、系の熱力学またはエネルギーに関する性質を、非常に高い精度で予測するためのいくつかの方法について述べています。これには、G1、G2、G2(MP2)や数種類の完全基底系(CBS)モデルが含まれています。

第三部の"応用"は、第八章の"化学反応と反応性の研究"から始まっています。ここでは、実際に化学の問題を研究する立場から電子構造論の使い方について議論しています。反応のポテンシャルエネルギー面上で、平衡構造と遷移構造の間のルートを調べる反応経路の考察も含まれています。

第九章の"励起状態のモデル化"では、分子の励起状態における構造や振動数などの性質の予測について論じています。上級の演習ではCASSCF法を扱っています。

第十章の"溶液系のモデル化"では溶液中での系のモデル化について議論しています。Gaussianプログラムで扱われるいくつかの溶媒和モデルと、それらを用いてどのような系や性質が研究できるかを説明しています。

付録Aの"理論的背景"ではGaussianの基礎になっている量子力学の概要を述べています。また、より詳しい取り扱いについての参考文献も含んでいます。

付録Bの"Gaussianのインプット"は、Gaussianのインプットファイルのフォーマットの要約です。また、分子のZ-matrixの作り方も添えてあります。

付録Cの"日本語-原語対応表"は、本書で用いた英語の専門語の日本語訳をまとめたものです。

本書には、計算ツールを用いて化学的問題にアプローチするにあたって、各手法や技術を例証するようにデザインされた、完成した解法を備えた数多くの実際例および演習が収録されています。ここにあげた例は3章からの抜粋ですが、C60Oの2つのコンホメーション、およびその幾何学的構造最適化について述べています。

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目次

第一部:必要な概念とテクニック

第一章:計算モデルとモデル化学
　 計算化学の概念
　　 分子力学
　　 電子構造論
　 モデル化学
　　 モデル化学の定義
　 参考文献

第二章:シングルポイントエネルギー計算
　 エネルギー計算のセットアップ
　　 ルートセクション
　　 タイトルセクション
　　 分子指定セクション
　　 多段階ジョブ
　 Gaussianアウトプットの中での結果の見方
　　 標準配向座標
　　 エネルギー
　　 分子軌道と軌道エネルギー
　　 電荷分布
　　 ダイポールモーメント及び多極子モーメント
　　 CPU時間と他の計算機使用量
　 NMR物性の予測
　 演習
　 参考文献

第三章:構造最適化
　 ポテンシャルエネルギー面
　 最小値の探索
　　 収斂条件
　　 構造最適化のためのインプットの作成
　　 構造最適化のアウトプットの吟味
　 遷移構造の探索
　 困難な最適化の取り扱い方
　 演習
　 参考文献

第四章:振動数計算
　 IRとラマンスペクトルの予測
　　 振動数計算のためのインプット
　　 振動数と強度
　　 基準振動
　　 熱化学
　　 零点エネルギーと熱エネルギー
　　 分極率と超分極率
　 定留点のキャラクタリゼーション
　 演習
　 参考文献

第二部:モデル化学

序章
　 モデル化学
　　 用語
　　 研究用モデルの推薦

第五章:基底依存性
　 最小基底系
　 スプリットバレンス基底系
　 分極基底系
　 diffuse関数
　 高次の角運動量基底系
　 周期表3周期以下の元素のための基底系
　 演習
　 参考文献

第六章:論理的方法の正しい選択
　 半経験的方法の使い方
　　 半経験的方法の限界
　 電子相関とpost-SCF法
　　 Hartree-Fock法の限界
　　 MPn法
　　 Coupled Cluster法と二次配置間相互作用
　　 密度汎関数法
　 計算機使用量
　 演習
　 参考文献

第七章:高精度エネルギー法
　 熱化学の予測
　　 原子化エネルギー
　　 電子親和力
　　 イオン化ポテンシャル
　　 陽子親和力
　 モデル化学の評価
　　 G2分子セット(その解釈における落とし穴)
　　 選択されたモデル科学の相対的精度
　 混合法
　　 Gaussian-1法とGaussian-2法
　　 完全基底系法
　 演習
　 参考文献

第三部:応用

第八章:化学反応と反応性の研究
　 電子密度の解釈
　 反応のエンタルピーの計算
　 ポテンシャルエネルギー面の研究
　 ポテンシャルエネルギー面の走査
　 反応経路の実行
　　 IRC計算の実行
　 ポテンシャルエネルギー面の探索
　　 アルムアルデヒドの分子解離
　　 1,2水素移動反応
　　 IRC計算に関する最後の注釈
　 アイソデスミック反応
　　 アイソデスミック反応の限界
　 演習
　 参考文献

第九章:励起状態のモデル化
　 励起状態計算の実行
　 CI-Singlesのアウトプット
　 励起状態の最適化と振動数
　 演習
　 参考文献

第十章:溶液中の系のモデル化
　 溶媒和の反応場モデル
　　 Onsagerモデルの限界
　 SCRF計算の実行
　　 分子容積計算
　　 Gaussianアウトプット中での結果の見つけ方
　 演習
　 参考文献
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
付録

付録A:理論的背景
　 Schrodinger方程式
　　 分子Hamiltonian
　　 原子単位
　　 Born-Oppenheimer近似
　　 波動関数の制限
　 Hartree-Fock法
　　 分子軌道
　　 基底計
　　 変分原理法
　　 Roothaan-Hall方程式
　　 開殻法
　 電子相関法
　　 配置間相互作用(Cinfiguration Interaction)
　　 full CI
　　 Moller-Plesset摂動法
　　 密度汎関数法
　 完全基底系の補外
　 参考文献

付録B:Gaussianインプットの概要
　 インプットファイルセクション
　　 分子構造の指定
　 より複雑なZマトリックス
　　 Zマトリックスの変数の使い方
　 多段階ジョブ

付録C:日本語ム原語対応表

索引

原著者と訳者について

物理定数と換算定数
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
例題と演習のリスト
演習QS.1:　水分子のシングルポイントエネルギー
　 演習QS.2:　PDFファイルの変換
　 演習QS.3:　Gaussianのアウトプットのサンプル
　　 例題2.1: ホルムアルデヒドのシングルポイントエネルギー
　　 例題2.2: メタンのNMR遮蔽定数
　　 演習2.1: プロペンのシングルポイントエネルギー
　　 演習2.2: 1,2-ジクロロ -1,2ジフルオロエタンのコンホメーションエネルギー
　　 演習2.3: アセトンとホルムアルデヒドの比較
　　 演習2.4: エチレンとホルムアルデヒドの分子軌道
　　 演習2.5: アルカン、アルケン、アルキン類のNMR物性
上級演習2.6: C60のシングルポイントエネルギー
上級演習2.7: 計算の規模とCPUの使用量の関係
上級演習2.8: SCFの安定性の計算
　　 例題3.1: エチレンの最適化
　　 例題3.2: フルオロエチレンの最適化
　　 例題3.3: 遷移状態最適化
　　 演習3.1: プロペンのコンホメーションの最適化
　　 演習3.2: ビニルアルコールのコンホメーションの最適化
　　 演習3.3: 平面ビニルアミン最適化
　　 演習3.4: ヘキサカルボニルクロニウムの最適化
上級演習3.5: ベンゼンのNMR等方性化学シフト
上級演習3.6: C60O異性体の最適化
上級演習3.7: 1,1脱離反応の繊維状態の最適化
上級演習3.8: 最適化操作の比較
　　 例題4.1: ホルムアルデヒドの振動数
　　 例題4.2: 定留点のキャラクタリゼーション
　　 演習4.1: ビニルアルコール異性体の振動数
　　 演習4.2: 平面ビニルアミンのキャラクタリゼーション
　　 演習4.3: ビニル系の振動数
　　 演習4.4: 置換基によるカルボニルの伸縮
上級演習4.5: 歪のある炭化水素
上級演習4.6: C3H5Fのポテンシャルエネルギー面の1,3水素移動
　　 例題5.1: メタノールとメトキシドアニオンの最適化
　　 例題5.2: PO結合距離
　　 演習5.1: HF結合距離
　　 演習5.2: 遷移金属化合物の周期的な傾向
上級演習5.3: NMR計算に対する基底依存性(ベンゼン)
上級演習5.4: N,N-ジメチルホルムアミドの構造
上級演習5.5: 基底系の定義
上級演習5.6: 6-31G(d)と6-31Gの比較
　　 例題6.1: TPPの分子軌道
　　 例題6.2: HF二量体
　　 例題6.3: HF結合エネルギー
　　 例題6.4: オゾンの最適化
　　 例題6.5: CO2の構造と原子化エネルギー
　　 例題6.6: F3-の構造と振動数
　　 演習6.1: n-ブタンとイソブタンの異性化エネルギー
　　 演習6.2: n-ブタンの回転障壁
　　 演習6.3: マロンアルデヒドの最適化
　　 演習6.4: FOOFの最適化
　　 演習6.5: アセトアルデヒドとエチレンオキシドの間の異性化エネルギー
上級演習6.6: 異核置換アリルラジカルのスピン分極
上級演習6.7: M+F3-の構造と振動数
上級演習6.8: 超微細結合定数
上級演習6.9: 塩素原子によるオゾン破壊
　　 例題7.1: PH2の原子化エネルギー
　　 例題7.2: PH2の電子親和力
　　 例題7.3: PH2のイオン化ポテンシャル
　　 例題7.4: PH3の陽子親和力
　　 例題7.5: G2によるPH3の陽子親和力の計算
　　 例題7.6: CBS-4とCBS-QによるPH3の陽子親和力の計算
　　 演習7.1: CBS-4による熱化学
上級演習7.2: 塩素原子によるオゾン破壊の続き
　　 例題8.1: 置換ベンゼンの電子密度
　　 例題8.2: 水和反応
　　 例題8.3: 続き
　　 例題8.4: CH2O→H2+COのIRC
　　 例題8.5: CH2O→HCOHのIRC
　　 例題8.6: AX∴φ　～βN| ⊂△H
　　 例題8.7: アイソデスミック反応によるCO2の生成熱の予測
　　 例題8.8: アイソデスミック反応の限界
　　 演習8.1: 水和反応
　　 演習8.2: 結合解離
　　 演習8.3: H2COのポテンシャルエネルギー面
　　 演習8.4: 原子電荷解析
　　 演習8.5: グループ電荷
上級演習8.6: 分子中原子の電荷と結合次数
上級演習8.7: Si++シランの反応のポテンシャルエネルギー面
上級演習8.8: アイソデスミック反応
上級演習8.9: アイソデスミック反応による生成熱
上級演習8.10: SN2反応
　　 例題9.1: エチレンの励起状態
　　 例題9.2: ホルムアルデヒドの励起状態の最適化
　　 演習9.1: メチレンシクロプロペンの励起状態
　　 演習9.2: ホルムアルデヒドの励起状態の最適化
　　 演習9.3: アクロレインの励起状態の最適化
上級演習9.4: ベンゼンの励起エネルギー
上級演習9.5: CASSCF法による励起状態系の研究
上級演習9.6: CASSCF法によるブタジエンの光化学
　　 例題10.1: 溶液中でのジクロロエタンのコンホメーションのエネルギー差
　　 例題10.2: アセトニトリル中のホルムアルデヒドの振動数
　　 演習10.1: ジクロロエタンのコンホメーションのエネルギー差
　　 演習10.2: ホルムアルデヒドの振動数
　　 演習10.3: 溶液中でのカルボニル伸縮
上級演習10.4: N-メチル-2-ニトロビニルアミンの溶液中の回転障壁
上級演習10.5: フルフルアルデヒドに対するSCRF法の比較
　　 例題A.1: 積分グリッドの比較
　　 演習B.1: 1,2-ジクロロ-1,2-ジフルオロエタン異性体のZマトリックス
　　 演習B.2: 内部座標とカーテシアン座標の混合
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
クイックトピック見出し

アイソデスミック反応
安定性計算
分子軌道
CASSCF法
超微細結合定数
G2計算
原子電荷
反応経路の追跡
方法
　 精度の比較
　 必要な計算機資源の比較
構造最適化
　 機能
　 高度のテクニック
　 定留点の特性
　 遷移構造の位置決定
完全基底系法
モデル化学の精度
モデル化学
　 推薦する選択
密度汎関数法
内部反応座標(IRC)計算
熱化学
NMR物性
ポテンシャルエネルギー面の走査
励起状態
SN2反応
振動数計算
振動数やZPE(零点エネルギー)のスケール因子
遷移構造最適化
溶媒効果
要求される計算機容量

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