Loading article…
構造化学は化学の一部であり、分子（気体、液体、固体の状態）と固体（分子に分割できない拡張構造を持つ）の空間構造を扱います。構造解明には[1]さまざまな方法が使用されます。原子間の接続性（構成）のみを解明する方法と、原子座標、結合長と角度、ねじれ角などの正確な3次元情報を提供する方法を区別する必要があります。
判定方法
化学構造の決定には主に以下が含まれます。
- 気体状態の場合：気体電子回折[2]およびマイクロ波分光法[3]
- 液体状態の場合：NMR分光法[4]（液体や溶液から正確な構造情報を得ることは、気体や結晶性固体に比べてまだかなり難しいことに注意）
- 固体の場合：X線、[5]、 電子回折[6]、中性子回折[7]
結合性と官能基の存在を識別するために、分子分光法や固体分光法のさまざまな方法を使用できます。
気体状態
電子回折
ガス電子回折は、気体分子内の原子の幾何学的配置を決定することに重点を置いています。これは、分子が電子ビームと交差したときに生じる電子回折パターンを解釈することによって行われます。研究では、ガス電子回折を使用して、ガスの平衡構造と振動平均構造を取得しました。[8]ガス電子回折は、安定した自由分子と不安定な自由分子、ラジカル、イオンの両方のデータを取得するためにも重要であり、重要な構造情報を提供します。[9]たとえば、気体のフルオロフラーレン C 60 F 36の構造は、量子化学計算を補完した電子回折を使用して決定されました。[10]
マイクロ波分光法
マイクロ波回転分光法は、マイクロ波放射による気体分子の回転遷移のエネルギーを測定する。分子の電気双極子モーメントは励起マイクロ波光子の電磁場と相互作用し、これらの遷移の測定を容易にする。[11]チャープパルスフーリエ変換マイクロ波（FTMW）分光法を使用して化合物の回転定数を決定する。[3]この方法は、分子の異なる配座状態を識別できるため、構造を正確に決定するのに堅牢であると長い間考えられてきた。[12]その精度は、気相中の分子構造を提供する用途で際立っており、回転遷移は ΔJ = ±1 の場合に特に有益である。[13]
液体状態
NMR分光法
液体NMR分光法は、液体中の分子構造を解明するための主要な方法となっている。[4]これは、構造決定、その場モニタリング、混合物の分析など、幅広い用途に対応する柔軟な方法である。[14] SHARPER（高感度、均質、分解ピークをリアルタイムで検出）などの技術により、特に反応モニタリングにおいて、正確な分析に不可欠な非常に狭い信号を生成するJ分裂を除去することで、NMRの感度がさらに向上した。[4] NMR分光法では、核オーバーハウザー効果（NOE）実験を通じて陽子間距離を測定することで、液体状態の分子の3D構造を決定することもできる。[15]
ソリッドステート
X線回折
X線回折は、結晶固体の原子および分子構造を決定するための強力な技術です。[5] X線と結晶格子の電子密度の相互作用に依存し、原子の配置を推測するために使用できる回折パターンを生成します。[5]この方法は、有機化合物、無機化合物、タンパク質を含む幅広い物質の構造を解明するのに役立っています。
.jpg/500px-Using_X-ray_diffractometer_to_solve_the_3D_structure_of_membrane_proteins_of_the_flagellar_system_(41795117862).jpg)
電子回折
電子回折では、電子ビームを結晶サンプルに照射します。[6] X線回折と同様に、サンプルの構造を決定するために使用できる回折パターンを生成します。[6]電子回折は、小さな有機分子や複雑な有機化合物の研究に特に役立ちます。
中性子回折
中性子回折は、X線や電子の代わりに中性子のビームを使用する技術です。[7]中性子は原子核と相互作用し、水素などの軽い原子の位置に敏感です。[7]この方法は、水素結合系など、水素が重要な役割を果たす物質の構造を理解するために不可欠です。
重要性と貢献
構造化学は、物質の基本的な性質と材料の特性を理解する上で極めて重要です。構造化学者は、さまざまな科学分野や産業分野で重要な役割を果たしています。[16]構造化学の将来性は、現実世界の課題に取り組み、科学的革新を促進し、さまざまな分野の進歩に貢献する能力にあります。コラボレーション、技術の進歩、学際的なアプローチは、構造化学の未来を形作り続け、画期的な発見と応用への道を切り開きます。
貢献
構造化学者は、生物学的分子の3次元構造を解明することで創薬に大きく貢献し、より高い効果とより少ない副作用を持つ標的薬の設計を可能にします。[17]
物質中の原子や分子の配列を理解することは、特定の特性を持つ新しい物質の開発に役立ち、電子機器、エネルギー貯蔵、ナノテクノロジーの分野での革新につながります。[18]
構造化学は触媒の活性部位に関する知見を提供し、持続可能なエネルギー技術に使用されるものを含む化学反応のための効率的な触媒の設計を可能にします。[19]
構造生物学者は、 X線結晶構造解析やNMR分光法などの技術を使用して生体分子の構造を決定し、生物学的プロセスや疾患の理解に貢献しています。[20]
構造化学は汚染物質の分析、その挙動の理解、環境への影響を軽減する方法の開発に役立ちます。[21]
課題
システムの複雑さ
研究者がより複雑な物質や生物系を研究するにつれ、複雑な相互作用と大きな分子サイズが関与するため、それらの構造を正確に決定することが困難になってきています。最近の研究では、生物学的文脈において前例のない応用が見つかり、科学者は初めて分子、細胞、組織、臓器全体のレベルで生物学の複雑な問題に取り組むことができるようになり、また、心血管疾患、癌、消化器および生殖生物学によって課せられる重要な課題に取り組むことができるようになりました。[22]
技術的な限界
高度な実験技術と計算方法の開発が不可欠です。クライオ電子顕微鏡などの高解像度技術と計算シミュレーションの進歩は、いくつかの課題に取り組んでいます。[23]
データ分析
膨大な量の構造データを処理するには、意味のある情報を抽出するための高度なアルゴリズムとデータ分析技術が必要であり、データの解釈と保存に課題があります。[24]しかし、機械学習と人工知能の分野であるディープラーニングの登場により、大規模なデータセットをより正確かつ効率的に分析できるようになりました。[24]ただし、この方法にも、トレーニングデータの不足、データの不均衡、過剰適合などの制限があります。[24]
今後の方向性
さまざまな実験技術と計算技術を組み合わせることで、複雑な構造に関する包括的な洞察が得られます。X線結晶構造解析、NMR分光法、計算モデリングからのデータを統合することで、精度と信頼性が向上します。量子化学や分子動力学などの計算シミュレーションの継続的な進歩により、研究者はより大規模で複雑なシステムを研究できるようになり、新しい構造の予測と理解に役立ちます。[18] [17]オープンアクセスデータベースと共同作業により、世界中の研究者が構造データを共有し、科学の進歩を加速し、イノベーションを促進することができます。[24]
構造化学は、環境に優しい材料や触媒の設計に貢献し、化学産業における持続可能な慣行を促進することができます。構造化学は、環境に優しい材料や触媒の設計に貢献し、化学産業における持続可能な慣行を促進することができます。金属を含まないナノ構造触媒の最近の開発は、持続可能な方法で有機変換を促進する可能性を秘めた構造化学の分野における進歩の1つです。[25]
参照
参考文献
- ^ David WH Rankin、Norbert W. Mitzel、Carole A. Morrison (2013)。分子無機化学における構造的手法。チチェスター：John Wiley & Sons。ISBN 978-0-470-97278-6。
{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) - ^ 「材料特性評価のための中性子の利用」、中性子およびシンクロトロン放射を用いた回折による残留応力の分析、CRC Press、pp. 15–39、2003-02-06、doi :10.1201/9780203608999-6、ISBN 9780429211904、 2023-10-09取得
- ^ ab Martin-Drumel, Marie-Aline; McCarthy, Michael C.; Patterson, David; McGuire, Brett A.; Crabtree, Kyle N. (2016-03-24). 「自動マイクロ波二重共鳴分光法：化合物を識別および特徴付けるツール」. The Journal of Chemical Physics . 144 (12). Bibcode :2016JChPh.144l4202M. doi :10.1063/1.4944089. hdl : 2142/96897 . ISSN 0021-9606. PMID 27036441.
- ^ abc Peat, George; Boaler, Patrick J.; Dickson, Claire L.; Lloyd-Jones, Guy C.; Uhrín, Dušan (2023-07-21). 「SHARPER-DOSY: 感度強化拡散秩序化NMR分光法」. Nature Communications . 14 (1): 4410. Bibcode :2023NatCo..14.4410P. doi :10.1038/s41467-023-40130-2. ISSN 2041-1723. PMC 10361965. PMID 37479704 .
- ^ abc 「X線回折 | 定義、図、方程式、および事実 | ブリタニカ」。www.britannica.com 。 2023年12月8日閲覧。
- ^ abc Asadabad、Mohsen Asadi; Eskandari、Mohammad Jafari (2016-02-18)、Janecek、Milos; Kral、Robert (編)、「電子回折」、物理科学と生命科学における現代の電子顕微鏡、InTech、doi : 10.5772/61781、ISBN 978-953-51-2252-4、 2023-11-07取得
- ^ abc "7.5: 中性子回折". Chemistry LibreTexts . 2016-07-14 . 2023-12-08閲覧。
- ^ Vishnevskiy, Yury V.; Blomeyer, Sebastian; Reuter, Christian G. (2020-04-01). 「ガス電子回折におけるガス標準：CO2およびCCl4の正確な分子構造」.構造化学. 31 (2): 667–677. doi :10.1007/s11224-019-01443-5. ISSN 1572-9001. S2CID 208211778.
- ^ デメゾン、ジャン; ヴォクト、ナタリア（2020）、「気相電子回折による分子構造」、自由分子の正確な構造決定、レクチャーノートインケミストリー、vol。105、チャム：シュプリンガーインターナショナルパブリッシング、pp。167〜204、doi：10.1007 / 978-3-030-60492-9_7、ISBN 978-3-030-60492-9, S2CID 229669307 , 2023-11-07取得
- ^ Belyakov, Alexander V.; Kulishenko, Roman Yu.; Johnson, Robert D.; Shishkov, Igor F.; Rykov, Anatolii N.; Markov, Vitaliy Yu.; Khinevich, Viktor E.; Goryunkov, Alexey A. (2020-12-10). 「C 60 F 36 の構造: 著しく歪んだフルオロフラーレンの気相電子回折と量子化学計算研究」. The Journal of Physical Chemistry A . 124 (49): 10216–10224. Bibcode :2020JPCA..12410216B. doi :10.1021/acs.jpca.0c05714. ISSN 1089-5639. PMID 33200926。S2CID 226988867 。
- ^ 「1.10: マイクロ波分光法」. Chemistry LibreTexts . 2023-01-10 . 2023-11-07閲覧。
- ^ Bernstein, Elliot R. (2020).非共有結合種間の分子内および分子間相互作用エルゼビア pp. 97–98. ISBN 978-0-12-817586-6。
- ^ 1. Purusottam 2. A. Welford、1.Jena 2. Castleman (2010)。原子、分子、凝縮物質、生物システムの科学と技術。エルゼビア。pp. 173–175。ISBN 978-0-444-53440-8。
{{cite book}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link) - ^ アガーワル、プリヤンカ; クマリ、プージャ; バヴェシュ、ニール・サロバー（2022-01-01）、トリパティ、ティミール; デュベイ、ビカシュ・クマール（編）、「第16章 - 生体高分子の構造、機能、ダイナミクスを研究するための液体NMR分光法の進歩」、タンパク質分子および構造生物学方法の進歩、アカデミックプレス、pp. 237–266、doi：10.1016 / b978-0-323-90264-9.00016-7、ISBN 978-0-323-90264-9, S2CID 246188801 , 2023-12-08取得
- ^ Purslow, Jeffrey A.; Khatiwada, Balabhadra; Bayro, Marvin J.; Venditti , Vincenzo (2020-01-28). 「タンパク質-タンパク質複合体の構造特性評価のためのNMR法」。分子生物 科学のフロンティア。7 :9。doi : 10.3389 /fmolb.2020.00009。ISSN 2296-889X。PMC 6997237。PMID 32047754。
- ^ マイヤー、ヨアヒム (2004-04-02). イオン性物質の物理化学. Wiley. doi :10.1002/0470020229. ISBN 978-0-471-99991-1。
- ^ ab Provasi, Davide; Filizola, Marta (2023-08-07). 「リガンドベースおよび構造ベースの創薬戦略と転移およびディープラーニング技術の統合によるオピオイドの生物活性予測の強化」。BioRxiv :生物学のプレプリントサーバー。doi : 10.1101 /2023.08.04.552065。PMC 10441297。PMID 37609329。2023年12月8日閲覧。
- ^ ab 江口、みはる;ハン、ミンス。朝倉、祐介；ヒル、ジョナサン P.ヘンジー、ジョエル。有賀克彦；ローワン、アラン E.チャイキッティシルプ、ワチャロップ。山内、佑介（2023-11-13）。 「材料空間テクトニクス：将来の材料合成のための原子レベルの組成および空間制御方法論」。アンゲワンテ・ケミー国際版。62 (46): e202307615。土井：10.1002/anie.202307615。ISSN 1433-7851。PMID 37485623。S2CID 260114714 。
- ^ Liu, Lichen; Corma, Avelino (2021年4月). 「固体電気触媒と光触媒の構造変換」. Nature Reviews Chemistry . 5 (4): 256–276. doi :10.1038/s41570-021-00255-8. ISSN 2397-3358. PMID 37117283. S2CID 231957705.
- ^ Brito, José A.; Archer, Margarida (2020-01-01)、Crichton, Robert R.; Louro, Ricardo O. (編)、「第10章 構造生物学技術：X線結晶構造解析、クライオ電子顕微鏡法、小角X線散乱」、生物無機化学への実践的アプローチ（第2版）、Elsevier、pp. 375–416、doi：10.1016 / b978-0-444-64225-7.00010-9、ISBN 978-0-444-64225-7, S2CID 203510759 , 2023-12-08取得
- ^ 「化学はいかにして私たちの周りの環境改善に貢献しているか」。英国王立化学協会。 2023年12月8日閲覧。
- ^ 「生物系における複雑なレオロジー | 王立協会」royalsociety.org 2017年8月6日2023年12月8日閲覧。
- ^ 「クライオ電子顕微鏡法 - それは何なのか、どのように機能するのか、そして長所と短所」。MicroscopeMaster 。2023年11月8日閲覧。
- ^ abcd Sarker, Iqbal H. (2021-08-18). 「ディープラーニング：技術、分類、アプリケーション、研究の方向性に関する包括的な概要」. SN Computer Science . 2 (6): 420. doi :10.1007/s42979-021-00815-1. ISSN 2661-8907. PMC 8372231. PMID 34426802 .
- ^ ゴリプール、ベナム;ショージャエイ、サルマン。ロスタムニア、サデグ。ナイミ・ジャマル、モハマド・レザー。キム・ドギョン。カヴェツキー、タラス。ヌールジ、ナスリン。チャン・ホウォン;ヴァルマ、ラジェンダー S.ショコウヒメフル、モハマドレザ（2021-08-31）。 「メタルフリーのナノ構造触媒：有機変革の持続可能な推進力」。グリーンケミストリー。23 (17): 6223–6272。土井：10.1039/D1GC01366A。ISSN 1463-9270。S2CID 237989194。