チュートリアル

NWChem基礎編
V11.5.0
2023年4月14日

株式会社クロスアビリティ

注：本書はV11.5.0で作成されています。
V11.4.X以前をお使いの方はファイルモードを利用してください。
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本書について•本書はWinmostar V11の使用例を示すチュートリアルです。

•初めてWinmostar V11をお使いになる方はビギナーズマニュアルを参照してください。

•

各機能の詳細を調べたい方はユーザマニュアルを参照してください。

•本書の内容の実習を希望される方は、講習会を受講ください。
– Winmostar導入講習会：基礎編チュートリアルの操作方法のみ紹介します。
– Winmostar基礎講習会：理論的な背景、結果の解釈の解説、基礎編チュートリアルの操作方法、基礎編以外のチュートリアルの一部の操作方法を紹介します。
– 個別講習会：ご希望に応じて講習内容を自由にカスタマイズして頂けます。

•本書の内容通りに操作が進まない場合は、まずよくある質問を参照してください。

•よくある質問で解決しない場合は、情報の蓄積・管理のため、お問合せフォームに、不具合の再現方法とその時に生成されたファイルを添付しご連絡ください。

•

本書の著作権は株式会社クロスアビリティが有します。株式会社クロスアビリティの許諾な
く、いかなる形態での内容のコピー、複製を禁じます。
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概要
•

気相中の孤立したプロピレン分子の分子軌道、静電ポテンシャル、振動スペクトル（IR (+ラマン)）及びGibbs自由エネルギー、UV-Visスペクトル、NMRスペクトルをNWChemによる量子化学計算（B3LYP/6-31G*）から取得します。
手順の概要： I. 系のモデリング
II. 計算の実行
構造最適化+振動計算→TDDFT計算→NMR計算（構造式） （3次元構造）
プロピレン分子※TDDFT計算はUV-Visの表示に必要

注意点：•III. 結果解析
分子軌道、静電ポテンシャル、IR(+ラマン)、自由エネルギー、UV-Vis、NMR化学シフト

ESPの表示には時間が掛かるため、ここでは静電ポテンシャルとして、簡易的に得られる電荷解析(ラベル/電荷で指定していなければMulliken電荷)の結果を基にしたポテンシャル分布を表示します。
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Winmostar V11の動作モード
V11にはプロジェクトモードとファイルモードの2つの動作モードが用意されています。
本書ではプロジェクトモードでの操作方法を解説します。

ファイルモードの操作方法はV10のNWChemチュートリアルを参照してください。

プロジェクトモード V11新機能
ユーザは個々のファイルを意識することなくジョブを管理できます。
基本的にこのモードを推奨します。
ファイルモード
ユーザは個々のファイルを明示的に作成、管理します。操作方法はV10以前と一緒です。
継続ジョブを作成するときに、ファイルモードまたはV10以前では都度継続元ジョブの最終構造を表示する必要がありますが、プロジェクトモードでは自動で最終構造が引き継がれます。
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環境設定
Windows版NWChemインストールマニュアルに従ってNWChemをセットアップしてください。

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I. 系のモデリング1. Winmostarを起動し、新規プロジェクト（3次元構造を入力）をクリックします。（すでに起動している場合は先にファイル｜閉じるをクリックします。）
2. プロジェクト名に「propylene」と入力し保存をクリックします。

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I. 系のモデリング
初期構造の作成方法の詳細はWinmostarユーザマニュアル 5.初期構造の作成方法を参照してください。ここでは既存の分子構造ファイルを読み込ませます。
1. ファイル｜インポート｜Samplesファイル｜propylene.xyzをクリックします。
–

任意のファイルを読み込む場合はこの段階で代わりにファイル｜ファイルをインポートを使います。

2. ファイルをインポートダイアログで破棄して読み込みをクリックします。
3. 分子表示エリアに所望の分子が出現することを確認します。

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II. 計算の実行
1. ソルバ一覧からNWChemを選択します。
2.

(ワークフロー設定) をクリックします。

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II. 計算の実行
1. NWChem Workflow SetupウィンドウのPresetから「Optimize+IR + TDDFT + NMR」を選択します。

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II. 計算の実行•

計算精度を落として計算を早く終了させたい場合は、1st jobのBasis setを「STO-3G」に変更します。2nd job以降も自動的にSTO-3Gに変更されます。ラマンスペクトルも計算する場合は、1st jobの枠右上の+ボタンをクリックして新たに 2nd jobを追加して、Taskを「IR+Raman」に変更します。そうでない場合は次のページに進みます。

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補足 計算実行の流れ
今回のケースでは、①Optimize+IRの計算が実行された後に②TDDFTの計算が実行されます。連続して実行される計算の間で原子座標の情報は自動で引き継がれ、①の最終構造は②の初期構造と一致します。各計算は個別の作業フォルダの中で実行されます。

作業フォルダwork1_NW_OPT-IR

work2_NW_TDDFT

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II. 計算の実行（リモートジョブの場合は先にこちらに進んでください。）
1. NWChem Workflow Setupウィンドウ右下のOKをクリックします。

2. ジョブの設定ウィンドウで実行をクリックします。バックグラウンドでWinmostar JobManagerが起動し、右図のような黒いコンソールウィンドウが出現し、計算が開始されます。

補足：入力ファイルを自分で修正したい場合やリモートサーバに自分でコピーして使用したい場合は、ジョブの設定ウィンドウでファイルの保存後ジョブを実行しないにチェックを入れ実行をクリックします。保存後に計算を実行したい場合はファイル｜プロジェクト｜選択された作業フォルダ｜Runをクリックします。
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II. 計算の実行
1. メインウィンドウに戻ると（計算実行中でも構いません）、プロジェクト表示エリアにNWChem
Workflow Setupウィンドウの各ジョブに対応する3つの作業フォルダの親子関係がツリー状に表示されます。
2. 分子表示エリアには自動的に最初の作業フォルダ（work1_NW_OPT-IR）の入力ファイルの構造が表示されます。分子表示エリアの上部でもそのことを確認できます。

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II. 計算の実行
1. 計算の進行状況に応じて、プロジェクト表示エリアで各作業フォルダの状態がPEND（黒）→RUN（緑）→END（青）と変化します。
2. 全ての作業フォルダの状態がEND（青）に変化するまで待ちます。この際最近使ったプロジェクトの「propylene」の状態もALL END（青）に変化します。

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II. 計算の実行
1. 各計算のログの主要な内容を見たい場合は、プロジェクト表示エリアの作業フォルダで対象となる計算の作業フォルダをクリックして選択し、アクションのLog (Extracted)をクリックします。（プロフェッショナル版プレミアム限定の機能です）
2. 完全なログを見たい場合はLogをクリックします。

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補足 計算の継続
本書では本ページの操作は不要です。
1. すでに完了した計算から最終状態の原子座標を引き継いで計算を開始したいときは、まず(ワークフロー設定) をクリックします。
2. 情報ダイアログではいをクリックします。
3. ジョブの継続元の作業フォルダを選択で継続元の作業フォルダを選択してからOKをクリックします。
4. NWChem Workflow SetupウィンドウでP.9-10と同様に設定を行い計算を開始します。
※ファイルモードのように継続元ジョブの最終構造をメインウィンドウに表示しておく必要はありません。

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補足 計算の継続
本書では本ページの操作は不要です。
すでに完了した計算の最終状態の分子構造を編集してから計算を開始する方法を紹介します。

1. プロジェクト表示エリアの作業フォルダで編集元構造の作業フォルダをクリックし、アクションでCoordinate (Initial)（初期構造を編集する場合）またはCoordinate (Final)（最終構造を編集する場合）をクリックします。
2. 各種ツールボタンや編集メニュー以下の機能を利用して分子構造を編集します。「…出力可能なファイル形式に編集し続行しますか？」と表示されたらはいをクリックします。
– 一旦作業を中断したい場合は、（上書き保存）ボタンをクリックすると構造が保存され、Winmostarの再起動後でもプロジェクトを開きなおすと編集中の構造が再び出現します。または、（ファイルをエクスポート）をクリックし構造ファイルとして保存し、必要な段階で（ファイルをインポート）をクリックして保存した構造ファイルの構造を読み込みます。
3. 分子構造の編集が終わり、同一プロジェクト内で計算を実行する場合は、(ワークフロー設定) をクリックし「継続ジョブを実行しますか」と表示されたらいいえをクリックします。
新しいプロジェクトを作成して計算を実行する場合は、ファイル｜現在の構造で新規プロジェ
クトをクリックしてから(ワークフロー設定) をクリックします。

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III.結果解析 構造最適化アニメーション
以降、確認したい解析項目以外はスキップ可能です。
1. プロジェクト表示エリアの作業フォルダで構造最適化計算の作業フォルダ（work1_NW_OPT-IR）をクリックします。
2. アクションでAnimationをクリックすると、メインウィンドウ右側にアニメーション操作エリアが出現します。
ボタンをクリックすると、構造最適化の過程がアニメーション表示されます。
3. アニメーション表示エリア下部には、その上のリスト内のColumnで選ばれた列の値がグラフで表示されます。

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III.結果解析 分子軌道1. プロジェクト表示エリアの作業フォルダで構造最適化計算の作業フォルダ（work1_NW_OPTIR）をクリックします。
2. アクションでMO & Chargesをクリックすると、Energy Level DiagramウィンドウとSurface Setupウィンドウが表示されます。Energy Level Diagramウィンドウでは各分子軌
道のエネルギーやHOMO-LUMOギャップを確認できます。（STO-3Gの場合は値が異なります）
補足：イオン化ポテンシャルの簡便な近似値は、HOMOエネルギーの符号を反対にした値となります。

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III.結果解析 分子軌道
1. Energy Level Diagramウィンドウで3D表示したい軌道をクリックして選択し（デフォルト
では電子が入っている軌道の中で最もエネルギーが高いHOMOが選択されます）、Surface
SetupウィンドウのDrawボタンをクリックします。
2. Winmostar Viewerが起動し、1で選択された分子軌道が3D表示されます。

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III.結果解析 静電ポテンシャル
1. Surface SetupウィンドウのQuantityでESP(Population Charge)/Surfaceを選択し、右下のGenerate Cubeをクリックします。
2. Cube Plotウインドウが出現したらDrawをクリックします。Winmostar Viewerが起動し、Mulliken電荷から計算された近似的な静電ポテンシャルを分子表面にマッピングした様子が表示されます。

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III.結果解析 IR/ラマンスペクトル1. プロジェクト表示エリアの作業フォルダで振動計算の作業フォルダ（work1_NW_OPT-IR）をクリックします。（ラマンの時はwork2_NW_IRRAMAN）
2. アクションでIR/Ramanをクリックすると、スペクトルが出現します。
•

計算手法と基底関数に応じた波数のスケーリングを行う場合は、Freq. Scalingから該当するものを選択してください。

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III.結果解析 IR/ラマンスペクトル1. 振動モードを可視化する場合は、可視化したいピークをグラフ中でクリックし、Animationボタンをクリックしてください。Winmostar Viewerが起動し、対応する振動モードのアニメーションが表示されます。
2. アニメーションを確認した後は、Winmostar Viewerを×ボタンで終了し、IR Spectrum
ウィンドウをCloseボタンで閉じてください。

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III.結果解析 Gibbs自由エネルギー
1. プロジェクト表示エリアの作業フォルダで振動計算の作業フォルダ（work1_NW_OPT-IR）をクリックし、アクションでLog(Extracted)をクリックします。
2. G= H – TSの式からGibbs自由エネルギー値を求めます。Hは(最後のTotal DFT energyの値(単位はHartree)) + (Thermal correction to Enthalpyの値(a.u.(Hartree)の値))、TSは(Temperatureの値) x (Total Entropyの値) x 1.5936x10-6 (Hartreeへの単位変換)です。117.907558 + 0.085055 - 298.15 x 63.163 x 1.5936x10-6 = -117.852514がGibbs自由エネルギー値(単位はHartree)となります。

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III.結果解析 UV-Visスペクトル1. プロジェクト表示エリアの作業フォルダでTDDFT計算の作業フォルダ（work2_NW_TDDFT）をクリックします。
2. アクションでUV-Visをクリックすると、UV-Visスペクトルが表示されます。左上の欄には、各ピークの吸収エネルギー(eV)、吸収波長(nm)、強度が表示されます。（B3LYP/STO-3Gの場合は値が異なります）

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III.結果解析 UV-Visスペクトル
1. グラフ表示部上のピーク、もしくは左上欄のリスト中のピークをクリックすると、そのピークの励起の内容（励起元と励起先の軌道番号とその係数）が左下欄に表示されます。係数の絶対値が大きいほど重要な励起配置となります。12、13番目の軌道はHOMOとLUMOであることから（P.19参照）、第1ピークはHOMOからLUMOへの励起であることがわかります。
2. UV-Vis SpectrumウィンドウもCloseボタンをクリックして閉じます。

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III.結果解析 NMRスペクトル1. プロジェクト表示エリアの作業フォルダでNMR計算の作業フォルダ（work3_NW_NMR）をクリックします。
2. アクションでNMRをクリックすると、Magnetic Shieldingウィンドウが開きます。この時
点では全原子の核磁気遮蔽定数が表示されます。（B3LYP/STO-3Gの場合は値が異なります）

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III.結果解析 NMRスペクトル
1. NMR化学シフトを表示する場合は、Elementで注目したい元素を選択します。
2. Referenceで参照データを選択するか、Shieldingに参照となる遮蔽定数を入力すると、横軸が変化し選択した元素の化学シフトが表示されます。B3LYP/6-31G*で計算を行っている場
合、ReferenceのTMS B3LYP/6-31G(d) GIAO//B3LYP/6-31G(d)を選択します。
3. 確認後、同ウィンドウを閉じます。

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補足 NMR参照データ
1. 基準にしたい分子(TMSなど)、計算方法で構造最適化、NMR計算を行います。
2. Magnetic Shieldingウィンドウを開きます。

3. 参照元にしたいピークをクリックすると、Selectedに「6H 32.1864 ppm」などとそのピークの核磁気遮蔽定数が表示されます。
4. EditをクリックするとUserPrefフォルダ内のwm_nmr.refが開かれます。
5. 「（元素名） （上で取得したShielding定数） “（Winmostarで表示されるときの名前）”」という行を追加すると、Referenceでその遮蔽定数を選択できるようになります。

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最後に
•

各機能の詳細を調べたい方はユーザマニュアルを参照してください。

ユーザマニュアル

Winmostar 講習会の風景•

本書の内容の実習を希望される方は、Winmostar導入講習会、Winmostar基礎講習会、または個別講習会の受講をご検討ください。（詳細はP.2）•

本書の内容通りに操作が進まない場合は、まずよくある質問を参照してください。

•

よくある質問で解決しない場合は、情報の蓄積・管理のため、お問合せフォームに、不具合の再現方法とその時に生成されたファイルを添付しご連絡ください。
以上
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