













| No. | compound | No. | compound | No. | compound |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 1,1,1-trichloroethane | 52 | dimethylphosphinothious acid | 103 | p-bromochlorobenzene |
| 2 | 1,1,4,4-tetramethylpiperazine-1,4-diium | 53 | dithienylethanedione | 104 | p-bromonitrobenzene |
| 3 | 1,1-dichloro-cyclopropane | 54 | ethane-1,2-disulfonic acid | 105 | p-chlorobenzoic acid ion |
| 4 | 1,1-dichloro-ethylene | 55 | ethane-1,2-disulfonic acid ion | 106 | p-chloronitrobenzene |
| 5 | 1,2,5-thiadiazole | 56 | ethanesulfonic acid | 107 | phenylphosphonic dichloride |
| 6 | 1,2-dimethyltriazan-1-ium | 57 | ethanesulfonic acid ion | 108 | phenylphosphonous dibromide |
| 7 | 1,3,4-thiadiazole | 58 | formic acid ion | 109 | phenylphosphonous dichloride |
| 8 | 1-bromo-2-chloro-ethane | 59 | fumaric acid ion | 110 | phosphane imide |
| 9 | 1-bromo-propane | 60 | furan | 111 | phosphane oxide |
| 10 | 1-chloro-propane | 61 | furazan | 112 | phosphane sulfide |
| 11 | 1H-indazole | 62 | furfural | 113 | phosphenic acid |
| 12 | 2,2-dimethyltriazan-2-ium | 63 | furfuryl alcohol | 114 | phosphenous acid |
| 13 | 2-bromo-2-methyl-propane | 64 | furoic acid | 115 | phosphine |
| 14 | 2-chloro-2-methyl-propane | 65 | furoic acid ion | 116 | phosphorane |
| 15 | 3-chloro-propyne | 66 | hexamethyldiazane-1,2-diium | 117 | phosphoric acid |
| 16 | 4H-1,2,4-triazole | 67 | hydrogen sulfide | 118 | phosphoric trichloride |
| 17 | 7H-purine | 68 | imidazole | 119 | phosphoronitridic dichloride |
| 18 | acetic acid ion | 69 | indole | 120 | phosphorothioic trichloride |
| 19 | acrylic acid ion | 70 | isobenzofuran | 121 | phosphorous acid |
| 20 | ammonium ion | 71 | isoindole | 122 | phosphorous oxybromide |
| 21 | aziridinium ion | 72 | isooxazole | 123 | phosphorous oxychloride |
| 22 | benzenesulfonamide | 73 | isothiazole | 124 | phosphorous tribromide |
| 23 | benzo[b]thiophene | 74 | lactic acid ion | 125 | phosphorous trichloride |
| 24 | benzo[c]thiophene | 75 | maleic acid ion | 126 | picric acid |
| 25 | benzofuran | 76 | methanedisulfonic acid | 127 | p-nitrobenzoic acid ion |
| 26 | benzoic acid ion | 77 | methanedisulfonic acid ion | 128 | p-nitrotoluene |
| 27 | betaine | 78 | methanesulfonamide | 129 | proline ion |
| 28 | bromoacetyl chloride | 79 | methanesulfonic acid | 130 | propanic acid ion |
| 29 | bromo-benzene | 80 | methanesulfonic acid ion | 131 | propynoic acid ion |
| 30 | bromochloromethane | 81 | methanethiol | 132 | pyrazole |
| 31 | bromo-ethane | 82 | methyl thiocyanate | 133 | pyrrole |
| 32 | bromo-ethene | 83 | methyl (phenyl) phosphane | 134 | succinic acid ion |
| 33 | bromomethane | 84 | methyl-ammonium | 135 | sulfone |
| 34 | chloro phenylthio phosphine | 85 | methylene-ammonium | 136 | taurine |
| 35 | chlorobenzene | 86 | methylene-phosphane | 137 | taurine ion |
| 36 | chlorocyclohexane | 87 | methylphenyl sulfone | 138 | tetrahydro-thiophene 1,1-dioxide |
| 37 | chlorocyclopentane | 88 | methylphosphine | 139 | tetramethylammonium |
| 38 | chlorocyclopropane | 89 | methylthiirane | 140 | thenoic acid |
| 39 | chloroethane | 90 | minaline | 141 | thenoic acid ion |
| 40 | chloroethene | 91 | minaline ion | 142 | thenoin |
| 41 | chloroethyne | 92 | N,N,N-trimethylanilinium | 143 | thiazole |
| 42 | chloromethane | 93 | nitrobenzene | 144 | thietane |
| 43 | choline | 94 | nitroethene | 145 | thiirane |
| 44 | cis-1,2-dichloro-ethylene | 95 | nitroethylene | 146 | thiophene |
| 45 | cyanophosphoric acid | 96 | nitroglycerin | 147 | thioxo-methanone |
| 46 | cysteine | 97 | nitroglycol | 148 | trichloromethane |
| 47 | dibromomethane | 98 | nitromethane | 149 | trichloronitromethane |
| 48 | dichloromethane | 99 | nitrooxymethane | 150 | triethylphosphine |
| 49 | diethyl sulfone | 100 | oxalic acid ion | 151 | trimethylammonium |
| 50 | dimethyl sulfide | 101 | oxazole | 152 | trimethylphosphine |
| 51 | dimethyl sulfone | 102 | p-bromobenzoic acid ion | 153 | ypperite |
Table 2. Compounds for parameterization of each atom type. The meanings of the italics and the underlinings are the same as in Table 1.
| atom type | compound |
|---|---|
| Cco2 | 18, 19, 26, 27, 58, 59, 65, 74, 75, 91, 100, 102, 105, 127, 129, 130, 131, 134, 141 |
| pyrroleN | 11, 16, 17, 68, 69, 71, 90, 91, 132, 133 |
| Nium | 2, 6, 12, 20, 21, 27, 43, 66, 84, 85, 92, 129, 137, 139, 151 |
| Nno2 | 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 104, 106, 126, 127, 128, 149 |
| furanO | 25, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 70, 72, 101 |
| P | 83, 86, 88, 114, 115, 121, 150, 152 |
| P5 | 45, 107, 110, 111, 112, 113, 116, 117, 118, 119, 120 |
| Phal | 34, 108, 109, 122, 123, 124, 125 |
| S | 34, 46, 50, 52, 67, 81, 82, 89, 112, 135, 144, 145, 147, 153 |
| S6 | 22, 49, 51, 54, 55, 56, 57, 76, 77, 78, 79, 80, 87, 136, 137, 138 |
| thiopheneS | 5, 7, 23, 24, 53, 73, 140, 141, 142, 143, 146 |
| Cl | 1, 3, 4, 8, 10, 14, 15, 28, 30, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 44, 48, 103, 105, 106, 107, 109, 118, 119, 120, 123, 125, 148, 149, 153 |
| Br | 8, 9, 13, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 47, 102, 103, 104, 108, 122, 124 |
ab initio HF/6-31G**法による構造最適化、HF-ESP電荷の計算にはGAMESS USを使用した [21]。また、原子電荷による双極子モーメントの計算にはSYBYL 6.8を使用した [22]。これらの計算はIRIX release 6.5をOSとするSGI社のOctaneで実行した。
Table 3. New atomic parameters for QEq method.
| atom type | Cco2 | pyrroleN | Nium | Nno2 | furanO | P | P5 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| cI0/eV | 4.11191 | 5.70294 | 5.40759 | 4.99816 | 7.36514 | 5.84081 | 3.41158 |
| JII/eV | 11.34882 | 12.34358 | 11.24292 | 11.14819 | 21.15583 | 9.68101 | 10.18107 |
| atom type | Phal | S | S6 | thiopheneS | Cl | Br |
|---|---|---|---|---|---|---|
| cI0/eV | 4.95646 | 5.33059 | 3.91450 | 3.68276 | 5.13100 | 5.00760 |
| JII/eV | 5.83856 | 4.83244 | 9.84671 | 21.49072 | 6.73716 | 10.33114 |

Figure 1. Comparison between atomic charges calculated by QEq and HF-ESP methods. The HF-ESP charges are shown in the horizontal axis and the QEq charges are in the vertical axis.
Table 4. RMSD and correlation between QEq and HF-ESP charges.
| new parameter | MQEq (NM) | MQEq (OK) | QEq | QEq/PD | |
|---|---|---|---|---|---|
| RMSD | 0.112 | 0.282 | 0.231 | 0.257 | 0.255 |
| correlation | 0.956 | 0.700 | 0.809 | 0.673 | 0.770 |
次に、各atom typeを持つ化合物群(Table 2のそれぞれのグループ)に対して、それぞれの手法が与えた原子電荷の値とHF-ESP電荷とのRMSDおよび相関係数を求めた。その結果をTable 5とFigure 2に示す。RMSD、相関係数ともに、本研究で決定したパラメータを用いたQEq/PD法がすべての化合物群において最もHF-ESP電荷をよく再現していた。特にP5やS6のグループに属する化合物に対しては、従来の手法では4種類すべてでHF-ESP電荷と大きく異なる電荷しか得られていない(RMSDが0.3以上)のに対して、本研究で決定したパラメータを用いた場合は他の化合物と同程度のRMSD、相関係数を持つ電荷が得られている。これは、五価のリンと六価の硫黄に対するatom typeの導入が不可欠であることを示唆している。また、ハロゲンやニトロ化合物についても同様のことが言える。
Table 6とFigure 3に、実験的に双極子モーメントが得られている化合物に対して、それぞれの手法で求めた原子電荷を持つときの分子の双極子モーメントの実験値に対するRMSDおよび相関係数について記した。化合物数はQEq/PD法では8化合物、それ以外の手法では49化合物に対する結果について示している。また、Table 7とFigure 4に各atom typeのグループごとに双極子モーメントの実験値と計算値のRMSDについて、比較を行ったグループに関してのみ記した。硫黄、リン、ハロゲンのパラメータがないためにデータの少ない従来のQEq/PD法を除いて、今回得られたパラメータを用いたQEq/PD法が最もよく実際の双極子モーメントを再現している。MQEq (NM)、MQEq (OK)、QEq法によって得られた双極子モーメントはすべて実験値に比べて大きな値になる傾向があり、さらに実験値との相関係数、RMSDともに非常に悪い値となっているため、これらの手法は双極子モーメントの計算に対しては不適切であることが示唆されている。また、各atom typeグループごとに化合物を分類した場合の結果から、三価のリンや硫黄(二価、六価ともに)を含んだ化合物の双極子モーメントを求める際には従来の手法でも比較的妥当な値が得られるものの、ニトロ化合物やチオフェン、ハロゲン化物などに対してはRappeらのパラメータでは限界があることがわかる。特に、MQEq (NM) 法とMQEq (OK) 法 (パラメータは同じだが、二中心積分の算出式が異なる)で類似した傾向を示していることは、双極子モーメントの算出については二中心積分の計算法よりもパラメータのほうが重要であることを示唆している。
| new parameter | MQEq (NM) | MQEq (OK) | QEq | QEq/PD | |
|---|---|---|---|---|---|
| Cco2 | 0.158 (0.968) | 0.385 (0.885) | 0.195 (0.949) | 0.276 (0.841) | 0.267 (0.920) |
| pyrroleN | 0.143 (0.919) | 0.236 (0.823) | 0.206 (0.809) | 0.189 (0.822) | 0.255 (0.751) |
| Nium | 0.103 (0.951) | 0.243 (0.743) | 0.180 (0.861) | 0.291 (0.736) | 0.244 (0.723) |
| Nno2 | 0.102 (0.970) | 0.331 (0.666) | 0.250 (0.806) | 0.300 (0.710) | 0.363 (0.556) |
| furanO | 0.116 (0.925) | 0.197 (0.751) | 0.205 (0.795) | 0.177 (0.772) | 0.166 (0.831) |
| P | 0.091 (0.926) | 0.116 (0.911) | 0.172 (0.880) | 0.136 (0.848) | - (-) |
| P5 | 0.118 (0.972) | 0.352 (0.760) | 0.379 (0.791) | 0.335 (0.752) | - (-) |
| Phal | 0.085 (0.892) | 0.135 (0.763) | 0.230 (0.775) | 0.172 (0.791) | - (-) |
| S | 0.121 (0.900) | 0.178 (0.780) | 0.162 (0.857) | 0.141 (0.860) | - (-) |
| S6 | 0.095 (0.985) | 0.460 (0.640) | 0.309 (0.862) | 0.422 (0.608) | - (-) |
| thiopheneS | 0.123 (0.911) | 0.218 (0.673) | 0.214 (0.717) | 0.196 (0.698) | - (-) |
| Cl | 0.107 (0.893) | 0.213 (0.536) | 0.275 (0.621) | 0.239 (0.553) | - (-) |
| Br | 0.127 (0.878) | 0.214 (0.572) | 0.229 (0.679) | 0.210 (0.606) | - (-) |

Figure 2. RMSD and correlations between QEq methods and HF-ESP.
Table 6. RMSD and correlations between experimental and calculated dipole moment.
| new parameter | MQEq (NM) | MQEq (OK) | QEq | QEq/PD | |
|---|---|---|---|---|---|
| RMSD | 0.853 | 2.659 | 3.138 | 2.729 | 1.370 |
| correlation | 0.737 | 0.372 | 0.273 | 0.302 | 0.859 |

Figure 3. Correlation between calculated and experimental dipole moments. The experimental dipole moments are shown in the horizontal axis and those calculated by QEq methods are in the vertical axis.
Table 7. RMSD between experimental and calculated dipole moment.
| new parameter | MQEq (NM) | MQEq (OK) | QEq | QEq/PD | |
|---|---|---|---|---|---|
| pyrroleN | 1.764 | 1.527 | 1.689 | 1.603 | 1.392 |
| Nno2 | 1.186 | 2.503 | 2.577 | 1.938 | 1.568 |
| furanO | 0.053 | 1.047 | 1.128 | 1.074 | 0.805 |
| P | 0.741 | 0.253 | 0.607 | 0.184 | - |
| S | 0.901 | 0.763 | 1.341 | 1.138 | - |
| S6 | 1.152 | 0.729 | 0.681 | 0.639 | - |
| thiopheneS | 0.660 | 2.041 | 2.238 | 2.180 | - |
| Cl | 0.452 | 3.713 | 4.359 | 3.802 | - |
| Br | 1.035 | 2.857 | 3.519 | 3.055 | - |

Figure 4. RMSD between calculated and experimental dipole moments.