MOPACとは？分子軌道計算ソフトのインストール方法・使い方・HOMO/LUMOの見方を解説

MOPACとは

MOPACは、
Molecular Orbital PACkage
の略称です。

分子や固体などの電子状態を量子力学に基づいて計算する
量子化学計算プログラムの一つで、
特に半経験的分子軌道法を中心とした計算を行います。

MOPACは1983年に最初のバージョンが公開され、
その後40年以上にわたって開発されてきました。

現在のオープンソース版MOPACは、
以前の商用版MOPAC 2016の開発を直接引き継いだものです。

現在はMolecular Sciences Software Institute（MolSSI）によって
維持・管理されています。

MOPACはどのような計算をするソフトなのか

MOPACでは原子の種類と位置を入力すると、
その分子について電子状態を計算できます。

代表的な計算には次のようなものがあります。

半経験的分子軌道法とは

MOPACの大きな特徴が、
半経験的分子軌道法
を使用することです。

分子の電子状態を厳密に量子力学だけから計算しようとすると、
分子が大きくなるにつれて非常に大きな計算量が必要になります。

半経験的分子軌道法では、
計算の一部を簡略化するとともに、
実験値や高精度計算から得られたパラメータを利用します。

そのため、ab initio計算などと比較すると
大幅に高速に計算できます。

MOPAC公式では、半経験的計算は
ab initio計算と比較しておよそ1,000倍高速になる場合があると説明されています。
一方で、簡略化されたモデルとパラメータを利用するため、
一般には高精度なab initio計算やDFT計算より
精度や予測性が低くなる場合があります。

MOPACで利用できる代表的な計算法

MOPACでは複数の半経験的ハミルトニアンを使用できます。

現在のMOPACでは、
特に指定しなかった場合は
PM7が標準的な計算法として使用されます。

PM7は幅広い元素や分子に利用できる
汎用的な半経験的計算法です。

MOPACは何に使われているのか

MOPACは大学の教育用途から研究用途まで、
幅広い分野で利用されています。

分子軌道の学習

HOMOやLUMO、
分子軌道エネルギー、
原子電荷などを実際に計算できるため、
量子化学や物理化学の学習に利用できます。

分子構造の最適化

適当な初期分子構造を与えると、
原子に働く力を計算しながら構造を変化させ、
エネルギーが低い構造を探索できます。

有機分子の計算

有機分子について、
分子構造、電子状態、電荷分布、
HOMO・LUMOなどを比較する用途にも利用できます。

多数の分子のスクリーニング

半経験的計算は比較的高速であるため、
多数の分子について計算を行う
ハイスループット計算にも利用できます。

タンパク質などの大規模分子

MOPACにはMOZYMEなど、
大きな分子系を扱うための機能もあります。

そのため、数千原子規模のタンパク質などを対象とした
計算に使用される場合もあります。

MOPACの現在の開発状況

MOPACは以前、商用ソフトウェアとして提供されていました。

商用版の開発はMOPAC 2016で終了しましたが、
その後オープンソース化され、
現在も開発とメンテナンスが継続されています。

現在の公式ソースコードはGitHub上で公開されています。

2026年8月時点でもリポジトリの更新が行われており、
現在も維持されているソフトウェアです。

MOPACの最新バージョン

2026年8月時点で、
MOPAC公式サイトに掲載されている最新正式版は
MOPAC 23.2.5です。

以前のMOPAC 2016と異なり、
現在のMOPACはオープンソース版として提供されています。

MOPACの価格

現在のオープンソース版MOPACは、
無料で利用できます。

Apache License 2.0で公開されており、
ソースコードも公開されています。

過去の商用版ではライセンス認証が必要でしたが、
現在のオープンソース版では
アクティベーション用のパスワードは必要ありません。

対応しているOS

MOPACは主要なパソコン向けOSに対応しています。

それぞれについて、
インストーラーと圧縮アーカイブが公式に提供されています。

Windowsへのインストール

Windowsでは公式サイトから
Windows用インストーラーを取得できます。

インストーラーは
.exe形式です。

基本的な流れは次のようになります。

公式インストーラーを使用すると、
MOPACの実行ファイルがシステムのPATHに追加されます。

そのためコマンドプロンプトなどから
MOPACを実行できるようになります。

macOSへのインストール

macOSについても
公式インストーラーが提供されています。

Mac用インストーラーは
.dmg形式です。

macOSのGatekeeperによって
初回実行がブロックされる場合があります。

その場合にはFinderで対象ファイルを右クリックし、
「開く」から実行できる場合があります。

Linuxへのインストール

Linuxでは
.run形式のインストーラーや
.tar.gz形式のアーカイブが利用できます。

グラフィカルインストーラーのほか、
コマンドラインからインストールすることもできます。

また、Linuxではディストリビューションの
パッケージマネージャーから利用できる場合もあります。

Condaを使ってインストールする方法

Python環境などでCondaを利用している場合には、
conda-forgeからMOPACをインストールできます。

conda install -c conda-forge mopac

Windows、macOS、Linuxのいずれでも、
Conda環境を使用している場合には
この方法を利用できます。

MOPACにはグラフィカル画面があるのか

MOPACそのものは基本的に
コマンドラインで動作するプログラムです。

分子構造を画面上で作成して
ボタンを押して計算する一般的なGUIソフトとは少し異なります。

テキスト形式の入力ファイルを作成し、
MOPACに読み込ませて計算します。

また、MOPACそのものには
分子を3D表示するグラフィック機能はありません。

分子構造や分子軌道を可視化する場合には、
Jmol/JSmolやWebMOなどの
外部ソフトウェアと組み合わせることができます。

MOPACの基本的な使い方

MOPACの基本的な流れは非常に単純です。

MOPAC入力ファイルとは

MOPACでは分子構造と計算条件を
テキストファイルに記述します。

一般には
.mop
という拡張子を使用します。

例えば、

water.mop

のようなファイルを作成します。

MOPACでは
.mopのほか、
.datや
.arcなども入力として扱えます。

入力ファイルの基本構造

MOPACの入力ファイルは、
基本的に次のような構造になっています。

キーワード
コメント
コメント
原子1 座標
原子2 座標
原子3 座標
...

最初の行には、
使用する計算法や計算条件などのキーワードを書きます。

その後の2行はコメントとして扱われ、
続いて原子の種類と座標を入力します。

サンプル1：水分子を計算する

最初の練習として、
水分子H₂Oを計算してみます。

テキストエディターを開き、
次のようなファイルを作成します。

PM7 PRECISE

Water molecule

O  0.000000  0.000000  0.000000
H  0.758602  0.000000  0.504284
H -0.758602  0.000000  0.504284

ファイル名を例えば
water.mop
とします。

この入力ではPM7法を使用し、
水分子の構造最適化を行います。

MOPACでは計算方法を特に指定しなくても
PM7による構造最適化が標準動作ですが、
学習時には計算条件を明確にするため
PM7と記述しておくと分かりやすくなります。

PRECISEとは

PRECISEは、
通常より厳しい収束条件を使用するためのキーワードです。

通常の学習計算では必須ではありませんが、
少し精度を高めて構造最適化を行いたい場合に使用できます。

MOPACを実行する

MOPACがPATHに登録されていて、
water.mopが現在のフォルダにある場合、
ターミナルやコマンドプロンプトから実行します。

mopac water.mop

MOPACでは次のように
拡張子を省略して実行できる場合もあります。

mopac water

計算が終了すると、
入力ファイルと同じフォルダに
出力ファイルが作成されます。

主な出力ファイル

MOPAC計算では複数のファイルが作成される場合があります。

初めて使用する場合には、
まず
.out
ファイルを確認します。

構造最適化とは

分子を構成する原子は、
どのような位置に配置しても安定というわけではありません。

MOPACの構造最適化では、
入力した初期構造から原子の位置を少しずつ変化させ、
エネルギーが低くなる構造を探索します。

標準設定では、
MOPACは入力構造について
PM7による構造最適化を行います。

1SCFとは

分子構造を変化させず、
入力した構造について電子状態だけを計算したい場合には、
1SCFを使用できます。

PM7 1SCF

Water single point calculation

O  0.000000  0.000000  0.000000
H  0.758602  0.000000  0.504284
H -0.758602  0.000000  0.504284

1SCFを指定すると、
構造最適化を行わず、
入力された構造についてSCF計算を行います。

HOMOとLUMOとは

分子軌道計算でよく確認されるものが、
HOMOとLUMOです。

HOMOは電子が入っている分子軌道のうち
最も高いエネルギーを持つ軌道です。

LUMOは電子が入っていない分子軌道のうち
最も低いエネルギーを持つ軌道です。

HOMO・LUMOから何がわかるのか

HOMOとLUMOは、
分子の反応性を考える際によく利用されます。

一般的には、
HOMOは電子を与える側の性質、
LUMOは電子を受け取る側の性質と関連付けて考えることができます。

また、
HOMOとLUMOのエネルギー差は
HOMO-LUMOギャップと呼ばれます。

HOMO-LUMOギャップは、
分子の電子励起や反応性などを考えるための
一つの指標として利用されます。

MOPACでHOMO・LUMOを確認する

MOPACでは分子軌道の情報を詳しく出力したい場合に
VECTORSキーワードを利用できます。

PM7 1SCF VECTORS

Water HOMO LUMO calculation

O  0.000000  0.000000  0.000000
H  0.758602  0.000000  0.504284
H -0.758602  0.000000  0.504284

VECTORSを指定すると、
分子軌道の固有値と固有ベクトルが出力されます。

エネルギーはeV単位で表示されます。

通常は占有軌道と非占有軌道の境界を確認し、
最もエネルギーの高い占有軌道をHOMO、
その次の非占有軌道をLUMOとして確認します。

VECTORSの出力範囲を指定する

MOPACでは、
HOMOとLUMO周辺だけを出力することもできます。

例えば、

VECTORS=(3,3)

と指定すると、
高い方から3個の占有軌道と、
低い方から3個の非占有軌道を出力できます。

すべての軌道を確認する必要がない場合には、
このようにHOMO・LUMO周辺だけを出力すると
結果を確認しやすくなります。

HOMO・LUMOの形を見るには

MOPACの標準出力は基本的に数値です。

そのため、
HOMOやLUMOの軌道を立体的な図として確認するには、
分子可視化ソフトと組み合わせます。

MOPAC公式ガイドでは、
Jmol/JSmolを利用した可視化方法も紹介されています。

可視化ソフトを利用すると、
HOMOが分子のどの部分に分布しているのか、
LUMOがどの原子付近に広がっているのかなどを
視覚的に確認できます。

サンプル2：メタンを計算する

MOPAC公式ガイドでも、
メタンCH₄は基本的な入力例として使用されています。

PM7

Methane

C  0.00  0.00  0.00
H  0.63  0.63  0.63
H  0.63 -0.63 -0.63
H -0.63  0.63 -0.63
H -0.63 -0.63  0.63

このファイルを
methane.mop
として保存し、

mopac methane.mop

と実行すると、
PM7法を使用したメタンの構造最適化を行えます。

サンプル3：ホルムアルデヒドでHOMO・LUMOを確認する

HOMOとLUMOを学習する場合には、
ホルムアルデヒドH₂COのような
小さな有機分子も扱いやすい例です。

PM7 PRECISE VECTORS=(3,3)

Formaldehyde HOMO LUMO

C  0.000  0.000  0.000
O  1.210  0.000  0.000
H -0.600  0.940  0.000
H -0.600 -0.940  0.000

この計算では構造を最適化するとともに、
HOMO・LUMO周辺の分子軌道を出力します。

計算後の
.outファイルから、
軌道エネルギーや占有軌道と非占有軌道の境界を確認します。

CHARGEを指定する

イオンを計算する場合には、
分子全体の電荷を指定できます。

例えば+1価のイオンであれば、

CHARGE=1

-1価であれば、

CHARGE=-1

と指定します。

電荷を指定しなかった場合、
MOPACは標準では中性系として扱います。

溶媒の影響を計算する

MOPACではCOSMOモデルを使用して、
溶媒の影響を近似的に取り入れることもできます。

EPSキーワードに
溶媒の誘電率を指定します。

例えば25℃付近の水を近似する例では、

PM7 EPS=78.4

のように指定できます。

MOPACを使うときの注意点

MOPACは高速で便利な計算ソフトですが、
計算結果を実験値そのものとして扱うことはできません。

半経験的計算法は、
計算法ごとに得意な分子や不得意な分子があります。

また、構造最適化では初期構造によって
異なる局所極小構造に到達する可能性があります。

学生が最初に試すなら何を計算するとよいか

初めてMOPACを使用する場合には、
原子数の少ない分子から始めると理解しやすくなります。

例えば、
エチレンとベンゼンについてHOMOとLUMOを計算すると、
π電子系に由来する分子軌道を比較できます。

また、異なる分子についてHOMO・LUMOエネルギーを比較することで、
分子軌道と化学反応性の関係を考える練習にもなります。

MOPACは分子軌道計算の学習に向いているのか

MOPACは分子軌道計算を初めて学習する学生にも
比較的利用しやすいソフトです。

入力ファイルが単純で、
小さな分子なら短時間で計算できるため、
分子構造を変更して結果を比較するような実習にも適しています。

MOPAC公式でも、
物理化学の概念を学生に教えるための教育ツールや、
より計算量の大きい量子化学ソフトを使用する前の
学習ツールとして利用できると説明されています。

まとめ

MOPACは半経験的分子軌道法を中心とした
量子化学計算ソフトウェアです。

PM3、PM6、PM7などの計算法を使用して、
分子構造最適化、生成熱、原子電荷、
HOMO・LUMOなどの分子軌道を計算できます。

以前は商用ソフトウェアとして提供されていましたが、
現在はオープンソース化されており、
Apache License 2.0のもとで無料で利用できます。

Windows、macOS、Linux向けの
インストーラーが用意されており、
Condaからインストールすることもできます。

基本的な使い方は、
テキスト形式の入力ファイルを作成し、
MOPACを実行して
.outファイルなどの結果を確認するというものです。

特にHOMO・LUMO、
分子構造、電子状態などを実際に計算して確認できるため、
大学の物理化学や量子化学で
分子軌道について学習するためのソフトとしても利用できます。