이 책은 2008년 봄에 한정판으로 출판한 ‘계산화학 개론 및 실습’이라는 책의 개정 증보판이다. 이러한 성격과 내용의 책이 국내에서 출간된 것으로는 처음이었고, 아직까지도 유사한 성격의 다른 한글 서적은 없다. 따라서 지난번 책의 내용이 부실하였음에도 불구하고 나름의 수요가 있었고, 개정판의 요구도 있었다. 그러나 계산화학 분야는 화학의 여러 분야들 중에서도 가장 빠르게 발전하는 분야에 해당한다. 따라서 계산화학을 처음 학습하는 학생들을 대상으로, 어느 범위까지를 어느 정도의 깊이로 포함시키는 것이 적절한지 조정하는 것이 어려워 선뜻 개정판을 만들지 못하였다. 그러나 고민만 하면서 아무것도 하지 않는 것 보다는, 좀 부족하더라도 일단 개정판을 만들어 놓고, 국내의 다른 분들이 이 책과 유사하면서도 더 좋은 책으로 발전시키기를 기다리는 것이 지금 이 시점에서 그나마 최선이라는 생각으로 이번 개정 증보판을 만든다.

계산화학 방법의 기본 개념들과 계산화학 프로그램들을 실제로 적용하는 기초수준의 실습 경험을 화학분야 학부 학생들에게 제공하여, 이들이 나중에 연구개발 현장에 참여하였을 때 계산화학 방법을 본격적으로 습득할 수 있는 기본 준비를 제공하는 것이 이 책의 주요 목적이다. 그래서 계산화학 방법들 자체에 대한 수식의 엄밀한 유도 과정은 가능한 간단하게 생략하고, 그 대신 최종 수식에 포함된 물리적인 의미를 강조하였다. 그리하여 계산화학 방법들을 사용하는 연구자가 상식 수준에서라도 알고 있을 필요가 있는 기본 개념들을 정성적으로나마 이해할 수 있는 수준으로만 다루었다. 또한 너무 긴 시간을 요구하지 않도록, 이 책의 분량을 적절하게 제한하였다.

미시 물질계(microscopic material system)의 기본 법칙은 양자역학(Quantum Mechanics)이고, 그 양자역학을 화학 연구의 기본 단위인 분자(Molecule)의 내부 구조와 특성에 적용하는 분야가 양자화학(Quantum Chemistry)이다. 여러 계산화학 방법들의 핵심 기반이 양자화학이기는 하지만, 계산화학 프로그램을 실제로 활용하기 위하여 양자화학의 세부 지식을 갖추도록 요구하는 것은 계산화학 분야의 진입 장벽을 필요 이상으로 높이는 것일 뿐이다. 또한 최근까지 발달한 여러 기법들 덕분에, 화학 전반에 대한 이해만 갖추고 있다면, 계산화학 프로그램들의 여러 기능들을 충분히 잘 활용할 수 있는 환경이 갖추어지고 있다.

그래서 이 책의 앞부분인 2장에서는 일단 고전역학의 개념을 바탕으로 분자를 다루는 계산화학 방법들을 먼저 간단히 소개하고, 이들 방법을 적용하는 실습들을 진행하면서 계산화학에 필요한 기본 개념들에 익숙해지도록 유도한다. 3장에서는 모든 양자화학 계산방법들의 출발점이자 기반이라 할 수 있는 하트리-포크 자체-일치-장(HF/SCF) 방법과 바탕집합(바탕함수집합, Basis Set)에 관련된 여러 내용을 설명하면서 양자화학 계산방법을 본격 활용하는 데 필요한 최소한의 기초를 제공한다.

이 책의 핵심 내용이라 할 수 있는 4장에서는 계산화학 방법들을 실제로 적용하는 여러 대상(각 계산화학의 구체 목표)들을 포함시켰는데, 가능한 기본적인 계산으로부터 시작하여 점차 복잡한 단계들을 포함하는 경우에 이르도록 순차적으로 배치하였다. 계산화학의 결과가 실제 연구에 도움이 될 수 있는 수준이 되려면 5장에서 다루는 ‘전자 상관성 효과’를 포함하는 방법들을 적용해야 한다. 그러나 계산화학을 처음 학습하는 학생에게는 5장의 내용이 필요 이상으로 복잡하고 혼란스러울 수 있어 4장의 뒤로 미루었다. 계산화학을 처음 학습하는 학생이라면, 일단 4장까지만 학습해도 어느 정도의 기본을 갖출 수 있을 것이다. 5장의 내용 전부를 굳이 이해하지 않아도 되지만, 그래도 시간이 되는대로 한번쯤 읽어 보는 것이 필요할 것이다. 한편 맨 앞의 1장에서는 계산화학의 배경 및 역사, 그리고 계산화학의 의미와 적용 대상 등에 대하여 폭넓게 설명하였으며, 이 책에 포함시키지 않은 계산화학 방법들에 대해서도 조금씩 언급하였다. 1장 내용의 중간부분 이후는 계산화학을 처음 학습하는 학생에게는 어려운 내용일 수 있으니, 그 부분은 나중에 읽어보는 것이 더 좋을 수도 있다.

이 책은 여러 계산화학 방법의 기반을 이루는 이론 내용을 개념적으로 설명한 부분에 뒤이어 그러한 방법을 실제로 적용해보는 여러 가지의 실습 내용들을 포함하고 있다. 이 책에 포함된 실습 내용들은 지난 10여 년간 ‘계산화학 개론 및 실습’이라는 ‘3학점-2시간강의-2시간실습’ 형식의 강좌를 학생들에게 실제로 교육하면서 학부 학생들에게 적합하도록 조정하여 개발한 내용들이다. 이 책만을 사용하면서 혼자 학습하는 경우에도 충분히 도움이 될 수 있도록, 어떤 면에서는 다소 지나치게 자세히 설명하였다. 실습 조교의 도움을 받을 수 있는 경우에는 반드시 이 책에서 제시한 순서대로 실습할 필요는 없다. 그러나 각 계산화학 프로그램을 처음 접하는 단계의 실습 내용은 자세하게 설명된 반면에, 그 뒤에 나오는 실습 내용의 설명에서는 앞의 실습에서 익힌 것을 염두에 두고, 보다 간략하게 실습 내용을 설명하였다. 따라서 혼자서 학습하는 경우뿐만 아니라 실습 조교의 도움을 받는 경우에도, 가능하면 서두르지 말고, 실습의 번호 순서대로 하는 것이 더 쉬울 것이다.

각 실습 내용은 한 시간 정도 조교의 시연을 통하여 학생들이 기본 내용을 학습한 후, 각자의 과제를 한 시간 정도에 마칠 수 있도록 구성하였다. 그리고 대략 15주간의 한 학기에

이 책의 대부분을 끝마칠 수 있도록 분량을 조절하였다. 또한 양자화학이나 물리화학-2와 같이 계산화학의 배경 지식에 해당하는 관련 과목을 수강하지 않은 학생도 이 책에 포함된 실습 내용들을 통하여 계산화학의 기본 개념을 학습할 수 있는 수준으로 가능한 쉽게 설명하도록 노력하였다. 이 책을 접하는 각 학생의 배경 지식(물리화학-2, 양자화학 등의 선수 과목을 이수하였는지의 여부)에 따라 어느 부분은 너무 쉽고 필요이상으로 자세하며, 어떤 부분은 다소 어렵게 느낄 수도 있을 것이다. 그리나 위험한 시약, 깨지기 쉬운 초자기구, 고가의 분석 장비 등을 사용하는 실제 실험-실습과는 달리, 학생이 원하는 추가 실습을 학생이 원하는 시간에 언제든지 혼자서 안전하게 할 수 있다는 점이 계산화학 실습의 또 다른 장점이라 할 수 있을 것이다. 따라서 각자가 필요한 부분은 반복해서 실습하여도 아무런 사고 없이 안전하게 이 책에서 제시하는 실습을 수행하여 각자의 수준에 맞는 성과를 거두기 바란다. 그러나 학교(교육기관) 안의 시설에 정식으로 설치할 수 있어야 한다는 제

한(site license)과 학생들이 쉽게 배울 수 있는 편리성을 고려한 결과 특정 프로그램들(ChemDraw, HyperChem, Gaussian, GaussView)만을 사용하도록 실습 내용이 구성되었다는 점이 다소 아쉽다.

Chapter 1 계산화학의 개요와 기본 준비 1

1.1 간단한 역사, 현황, 그리고 전망 2

1.2 계산화학의 정의와 특성 및 적용 대상 6

1.3 계산화학 방법들의 종류 12

1.4 이 책의 구성과 학습 방법에 대한 제안 22

1.5 계산화학 학습에서의 실습 준비 23

실습-1-01 ChemDraw 기본 사용법 26

실습-1-02 원격지 컴퓨터와 Unix/Linux 기본 명령어 35

실습-1-03 vi 기본 사용법 42

Chapter 2 고전역학 방법: 분자역학과 분자 동력학 53

2.1 분자역학 방법 55

2.2 고전 분자 동력학 77

2.3 고전역학 방법을 적용하는 실습들 91

실습-2-01 HyperChem 기본 사용법 93

실습-2-02 분자구조 최적화와 구조 이성질체들 99

실습-2-03 분자구조에 미치는 용매 효과 106

실습-2-04 형태 이성질체(Conformer)들 탐색 109

실습-2-05 동역학 모사의 기본 115

실습-2-06 기존 자료(Database)의 이용 121

Chapter 3 양자화학 방법의 출발－HF와 Basis Set 127

3.1 HF/SCF 방법 129

3.2 반-경험 양자화학 방법들 154

3.3 바탕함수(basis function)에 대하여 164

3.4 HF/SCF 방법과 바탕집합에 대한 기본 실습들 180

실습-3-01 Gaussian/GaussView 기본 사용법 181

실습-3-02 GaussView/Gaussian의 연결 사용법 191

실습-3-03 RHF/UHF에 대한 기초 실습 204

실습-3-04 바탕집합(Basis Set) 확인 실습 215

실습-3-05 유효－중심－퍼텐셜(ECP) 사용 실습 219

실습-3-06 ChemDraw－HyperChem－Gaussian 연결 222

Chapter 4 양자화학 계산 방법들의 다양한 적용 225

4.1 Z－Matrix 228

실습-4-01 Z－Matrix 구성과 활용 237

4.2 Gaussian Input의 기본 양식 238

실습-4-02 Gaussian Input과 Output 기본 실습 244

4.3 분자구조 최적화 249

실습-4-03 분자구조 최적화 네 가지 방법 256

4.4 분자 진동 특성과 IR/Raman 분광학 261

실습-4-04 진동 특성 계산과 IR/Raman 스펙트럼 265

4.5 용매 효과에 대하여 273

실습-4-05 SCRF 방법을 사용한 용매 효과 실습 278

4.6 이성질체들(Isomer)의 구조 최적화 281

실습-4-06 입체 이성질체와 구조 이성질체 282

4.7 반응 에너지(Reaction Energy) 계산 285

실습-4-07 영점 에너지와 반응 에너지 계산 287

4.8 이온화 에너지, 전자 친화도, 수소 이온 친화도 290

실습-4-08 EA, IP, PA 계산 실습 295

4.9 핵자기 공명(NMR) 분광학 298

실습-4-09 NMR 성질 계산 301

4.10 들뜬 전자상태들과 UV/Vis 분광학 306

실습-4-10 UV/Vis 분광학 특성의 기초 계산 309

4.11 전이－상태(TS) 구조와 반응 기작 314

실습-4-11 전이－상태(TS) 구조와 활성화 에너지 318

Chapter 5 전자 상관성 효과를 포함하는 계산 방법 327

5.1 전자 상관성 효과 329

5.2 배치－간 상호작용 방법 332

5.3 다체－섭동 이론 방법 342

5.4 짝진－뭉치 이론 방법 349

5.5 밀도 범함수 이론(DFT) 방법 352

5.6 복합 방법들 375

실습-5-01 복합 방법들에 대한 기초 실습 381