分子力学法とは？わかりやすく解説

分子力学法（ぶんしりきがくほう、Molecular Mechanicsの頭文字よりMM法と略される）あるいは分子力場計算（ぶんしりきばけいさん）は、分子の立体配座の安定性や配座間のエネルギー差を原子間に働く力によるポテンシャルエネルギーの総和によって計算する手法のことである。

分子の持つエネルギーはシュレーディンガー方程式を解くことによって計算することが可能であるが、これは分子を構成する原子および電子の数が多くなると計算量が急激に増加し困難になる。

しかしその一方で、分子の内部の原子同士に働く力はその原子の種類や結合様式が同じならば、別の種類の分子でもほぼ同じである。例えばsp³混成の炭素原子と水素原子の結合距離はどのような分子でもほぼ0.11 nm、結合エネルギーはほぼ4.1×10² kJ mol⁻¹、赤外吸収スペクトルでほぼ2950 cm⁻¹付近に吸収を示す。このことはsp³混成の炭素原子と水素原子の結合距離の伸縮に伴って2つの原子間に働く力が分子によらず、ある一つの数式で表すことができることを示唆している。

そこで原子間に働くすべての力を、原子間の結合を表すパラメータ（結合距離、結合角など）を変数とし、原子の種類や結合様式によって決まる関数で表す。そしてそれらの力によるポテンシャルエネルギーの総和が分子の持つエネルギーとなっていると考える。このような考えのもとに、様々な実験値をうまく説明できるような原子間のポテンシャルエネルギーを表す式を経験的に、あるいは量子化学的手法によって導き、それによって分子の立体配座の安定性や配座間のエネルギー差を計算する手法が分子力学法である。このポテンシャルエネルギーによる力の場を分子力場というため、分子力場計算ともいう。

分子力学法での分子のイメージは原子を球として、その球をその両端の原子の種類によって強さが決まったばねで結びつけたような感じである。それぞれのばねが引きのばされたり押し縮められたりして、すべてのばねのポテンシャルエネルギーの合計が最も小さくなったところで、その分子の持つエネルギーと立体配座が決まることになる。

分子力学法は計算量が量子化学的手法に比べて少ないため、原子数の多い分子においても容易に計算結果が得られるという利点がある。しかし、原子の種類や結合様式が異なるごとに別のポテンシャルエネルギーの式を使わなければならないため、前もって準備しておくパラメータの数が非常に多くなってしまうという欠点がある。

単純な分子力学法においては分子の持つポテンシャルエネルギーEは

E=\sum E_{d}+\sum E_{a}+\sum E_{t}+\sum E_{n}

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