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構造化学は化学の一分野であり、分子、イオン、ポリマーなどの個々の化学種の結合と形状を扱います。構造は化学種の挙動を理解する上で中心的な役割を果たすため、この分野は基礎的なものです。構造は化学の主要分野、すなわち無機化学[ 2 ]と有機化学[ 3 ]に統合されています。 構造化学の重要性を示す指標の一つとして、ノーベル化学賞の多くは、構造に関する洞察や構造決定に重要な技術に対して授与されています[ 4 ] 。
分子の化学構造は、原子とその化学結合の空間配置です。その決定には、化学者が分子の幾何学的構造を指定すること、そして可能かつ必要な場合には、対象となる分子またはその他の固体の電子構造を指定することが含まれます。分子の幾何学的構造とは、分子内の原子の空間配置と、原子同士を結びつける化学結合を指し、構造式や分子モデルで表すことができます。[ 5 ]完全な電子構造の説明には、分子の分子軌道の占有率を指定することが含まれます。[ 6 ] [ 7 ]構造決定は、非常に単純な分子（例えば、二原子酸素や窒素）から非常に複雑な分子（例えば、タンパク質やDNAなど）まで、さまざまな対象に適用できます。
化学において、「構造」という言葉は、長さスケールと時間スケールによって異なる意味を持つ。長さスケールに関して言えば、局所的なレベルでは、構造とは原子間の距離と角度を指す。より大きな長さスケールでは、対称性と周期性が重要な記述子となる。
化学構造の理論は、1858 年頃から、オーガスト・ケクレ、アーチボルド・スコット・クーパー、アレクサンドル・ブトレロフらによって初めて開発されました。ケクレは、元素には好ましい数の化学結合があることを示唆することで、原子価に関する初期の考え方を提唱しました。クーパーは、構造を紙に表現する方法である最初の化学構造図を開発しました。ブトレロフは、化学において「構造」を初めて使用し、化学化合物は原子と官能基のランダムな集まりではなく、分子を構成する元素の原子価によって定義される明確な順序を持っていることを認識しました。[ 4 ]
1883年、アレクサンダー・クラム・ブラウンはNaClの結晶構造を解明し、編み針と毛糸玉を使ってその模型を作った。彼はまた、実験的な構造解析技術が開発されるずっと前に、現代のモデルとよく一致する酢酸の構造も提唱した。 [ 4 ]
20世紀初頭には可視光分光法のみが直接的な構造情報を提供していたが、状況は急速に変化した。1915年にはウィリアム・ヘンリー・ブラッグとその息子ウィリアム・ローレンス・ブラッグが初期のX線結晶構造解析法の開発でノーベル賞を受賞し、1922年にはフランシス・アストンが最初の質量分析計を開発したことでノーベル賞を受賞した。1920年代の量子力学の発見は、ラマン効果、メスバウアー分光法、核磁気共鳴（NMR）など、化学構造の決定に応用できる一連の基礎的な物理学研究につながった。1970年代以降、電子検出器とコンピュータ支援解析技術により、構造データが劇的に増加し、その作成と解析にかかる時間が短縮された。構造化学において特に注目すべきは、ハーバート・A・ハウプトマンとジェローム・カールによるX線結晶解析の直接法の開発であり、これは1985年のノーベル化学賞につながった。[ 4 ]
化学構造に関しては、分子内の原子の純粋な結合（化学構成）、三次元配置の記述（分子配置、例えばキラリティに関する情報を含む）、および結合長、結合角、ねじれ角の正確な決定、すなわち（相対的な）原子座標の完全な表現を区別する必要がある。
化学化合物の構造を決定する際には、一般的に、まず最低限、分子内のすべての原子間の結合パターンと結合度を求める。可能であれば、分子（またはその他の固体）内の原子の三次元空間座標を求める。[ 8 ]
分子の構造を決定する方法を構造解析と呼ぶ。これらの方法には以下が含まれる。
その他の情報源としては、分子の構造中の官能基に不対電子スピンが存在する場合、 ENDOR法や電子スピン共鳴分光法も用いられることがあります。これらの手法は、分子に金属原子が含まれている場合や、結晶学に必要な結晶、あるいはNMRに必要な特定の原子種が構造決定に利用できない場合に、特に重要となります。最後に、電子顕微鏡などのより専門的な手法も、場合によっては適用可能です。
概して言えば、無機構造化学は固体、特に結晶性固体に焦点を当てています。これは、無機化合物の大部分が金属と非金属元素が結合して形成された固体であるためです。これらの構造は通常、2次元または3次元で無限に広がる規則的な格子構造です。これにより、化学構造を決定するために非常に効果的なX線回折法や中性子回折法を適用することができます。[ 11 ]： 4
有機構造化学は、さまざまな条件下で気体、液体、固体状態として存在することが多い有限分子を扱う。単純な有限分子は電子回折を用いて気相で研究できるが、多くの場合、理論と組み合わせた分光学的技術が必要となる。[ 11 ]： 4
化学構造を決定するために多くの方法が開発されてきました。技術は、気体、液体、固体といった試料の性質によって異なります。最も重要な技術の1つは、固体の分析に使用されるX線結晶構造解析です。 [ 12 ] [ 13 ]もう1つの主要な技術はNMR分光法で、これは有機化学で日常的に使用されていますが、さまざまなタイプの試料に適用できます。[ 14 ]
構造化学では、静的な構造に加えて、流動性などの動的な側面にも焦点を当てています。このような場合、技術の時間スケールを動的な側面の時間スケールに合わせる必要があります。典型的な例はジメチルホルムアミド（DMF）で、動的NMR分光法によって動的な側面が分析されます。[ 15 ]
Chemfigとtikzは、化学構造式を作成するためのLaTeX用パッケージアドオンです。[ 16 ]
{{cite book}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)