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化学化合物の構造式は、分子構造（構造化学的手法によって決定）をグラフィカルに表現したもので、原子が互いにどのように結合しているかを示します。[ 1 ]分子内の化学結合も、明示的または暗黙的に示されます。記号の数が限られており、記述力も限られている他の化学式タイプ[a]とは異なり、構造式は分子構造のより完全な幾何学的表現を提供します。たとえば、多くの化学化合物は、異なる鏡像異性体構造を持ちながら同じ分子式を持つ異性体として存在します。これらの構造式を描く方法は複数あり、ルイス構造、縮合式、骨格式、ニューマン投影図、シクロヘキサン配座、ハワース投影図、フィッシャー投影図などがあります。[ 3 ]
化学データベースなどで使用されているような、幾何構造と同等かつ同等の効力を持つ体系的な化学命名法がいくつか存在します。これらの化学命名法には、 SMILES、InChI、CMLなどがあります。これらの体系的な化学名は構造式に変換でき、またその逆も可能ですが、化学者は化学反応や合成を化学名ではなく構造式を用いて記述することがほとんどです。これは、構造式を用いることで、化学者は分子とその反応中に起こる構造変化を視覚的に把握できるためです。ChemSketchやChemDrawは、ユーザーが反応式や構造式を（通常はルイス構造式で）描画できる人気のダウンロード／ウェブサイトです。
結合は、ある原子と別の原子を結ぶ線として示されることが多い。線が1本の場合は単結合、 2本の場合は二重結合、3本の場合は三重結合を示す。構造によっては、各結合の間にある原子が指定されて示される場合もある。しかし、構造によっては、炭素分子が明示的に書き出されない場合もある。代わりに、これらの炭素は、2本の線が接続したときに形成される角で示される。さらに、水素原子は暗黙のうちに示され、通常は描かれない。これらは、炭素が結合している他の原子の数に基づいて推測できる。たとえば、炭素Aが他の1つの炭素Bに結合している場合、炭素Aはオクテットを満たすために3つの水素を持つことになる。[ 4 ]
電子は通常、色付きの円で表されます。円が1つは電子1個、円が2つは電子対を表します。通常、電子対は負電荷も示します。色付きの円を使用することで、各原子の価電子殻にある電子の数が示され、分子内のその原子の反応性に関する詳細な情報が得られます。[ 4 ]
原子は、オクテット則を満たしていないため、正または負の電荷を持つことがよくあります。原子が電子対を欠いている場合、または陽子を持っている場合は、正の電荷を持ちます。原子が他の原子と結合していない電子を持っている場合は、負の電荷を持ちます。構造式では、正の電荷は⊕で、負の電荷は⊖で示されます。[ 4 ]
骨格式におけるキラリティは、ナッタ投影法によって示されます。立体化学は、分子内の原子の相対的な空間配置を示すために使用されます。これを示すためにくさび形が使用され、破線と塗りつぶしの2種類があります。塗りつぶされたくさび形は、原子が分子の前面にあることを示し、紙面の上側、つまり前面を指しています。破線のくさび形は、原子が分子の背面にあることを示し、紙面の下側を指しています。破線でない直線が使用される場合、原子は紙面内にあります。この空間配置は、3次元空間における分子の概念を提供し、空間配置の配置方法には制約があります。[ 4 ]
波状の単結合は、未知または未指定の立体化学、あるいは異性体の混合物を表します。例えば、隣の図は、左側のHOCH₂−基に波状の結合を持つフルクトース分子を示しています。この場合、2つの可能な環状構造は互いに、そして開鎖構造とも化学平衡状態にあります。環は自動的に開閉し、ある立体化学で閉じることもあれば、別の立体化学で閉じることもあります。
骨格式は、アルケンのシス異性体とトランス異性体を表すことができます。波状の単結合は、未知または未指定の立体化学、あるいは異性体の混合物（四面体立体中心など）を表す標準的な方法です。交差した二重結合が使用されることもありましたが、現在では一般的には許容されるスタイルとはみなされていません。[ 5 ]
ルイス構造式（または「ルイス点構造式」）は、原子の結合と孤立電子対または不対電子を示す平面的な図式であり、三次元構造は示しません。この表記法は主に小さな分子に使用されます。各線は単結合の2つの電子を表します。原子対間の2本または3本の平行線は、それぞれ二重結合または三重結合を表します。あるいは、点のペアを使用して結合対を表すこともできます。さらに、すべての非結合電子（対になっているか不対であるか）と原子上の形式電荷が示されます。ルイス構造式を使用することで、結合または孤立電子対のいずれにあるかにかかわらず、電子の配置によって分子内の原子の形式電荷を特定し、安定性を理解し、反応で形成される可能性が最も高い分子（分子の幾何学的差異に基づく）を決定できます。ルイス構造式は、多くの場合、実際の分子を表すために結合が特定の角度で描かれるため、分子の幾何学的構造をある程度考慮しています。ルイス構造式は、電子と結合の両方が示されるため、形式電荷や原子間の結合状態を計算するのに最適です。ルイス構造式は、結合や非共有電子対の存在によって変化する分子構造や電子配置を把握するのに役立ち、それによって結合角や混成軌道も決定できます。
初期の有機化学論文では、図表の使用が極めて限られていたため、テキスト行で有機構造を記述する活字システムが生まれた。このシステムは環状化合物への適用には問題が多いものの、単純な構造を表すには便利な方法である。
括弧は、複数の同一の基を示すために使用され、式の中に現れる場合は左側の最も近い非水素原子に、式の先頭に現れる場合は右側の原子に結合することを示します。
いずれの場合も、水素原子を含むすべての原子が表示されます。また、カルボニル基を示す場合、Oを括弧内に配置することでC=Oを暗示します。例：
したがって、括弧内の原子の左側を見て、それがどの原子に結合しているかを確認することが重要です。これは、縮合式から骨格式やルイス構造などの別の形式の構造式に変換する際に役立ちます。縮合式では、アルデヒドをCHO、カルボン酸をCO2HまたはCOOH、エステルをCO2RまたはCOORのように、さまざまな官能基を示す方法があります。ただし、縮合式を使用しても、化合物の分子構造や炭素間の結合数がすぐにわかるわけではなく、炭素に結合している原子の数と炭素に電荷があるかどうかに基づいて認識する必要があります。[ 6 ]
骨格式は、より複雑な有機分子の標準的な表記法です。有機化学者のフリードリヒ・アウグスト・ケクレ・フォン・ストラドニッツ[ 7 ]が最初に用いたこのタイプの図では、炭素原子は原子記号Cで示されるのではなく、線分の頂点（角）と端にあるとみなされます。炭素原子に結合している水素原子は示されません。各炭素原子は、4つの結合を与えるのに十分な数の水素原子と関連付けられていると理解されます。炭素原子に正または負の電荷が存在すると、暗黙の水素原子の1つが置き換えられます。炭素以外の原子に結合している水素原子は明示的に記述する必要があります。骨格式のもう1つの特徴は、特定の構造を追加することで、化合物の立体化学、つまり3次元構造を決定できることです。多くの場合、骨格式は線の代わりにくさび形を使用することで立体化学を示すことができます。実線のくさび形は、紙面の上を向いている結合を表し、破線のくさび形は、紙面の下を向いている結合を表します。
ニューマン投影図とソーホース投影図は、特定の配座異性体を描写したり、隣接する立体化学を区別したりするために使用されます。どちらの場合も、2つの特定の炭素原子とその結合が注目されます。唯一の違いは、視点がわずかに異なることです。ニューマン投影図は対象となる結合を真上から見下ろしたものであり、ソーホース投影図は同じ結合をやや斜めの視点から見ています。ニューマン投影図では、結合に垂直な平面を表すために円が使用され、前面の炭素上の置換基と背面の炭素上の置換基を区別します。ソーホース投影図では、前面の炭素は通常左側にあり、常にわずかに下方にあります。前面の炭素を示すために矢印が使用される場合もあります。ソーホース投影図は骨格式と非常によく似ており、分子の立体化学を示すために線の代わりにくさび形を使用することもできます。ソーホース投影図は分子の幾何学的構造や分子の配置を示すのにあまり適していないため、骨格式とは区別されます。ニューマン投影法とソーホース投影法のどちらも、フィッシャー投影図を作成するために使用できます。
シクロヘキサンやその他の小環状化合物の特定の立体配座は、標準的な表記法を用いて示すことができます。例えば、シクロヘキサンの標準的な椅子型立体配座は、炭素原子の平均平面よりわずかに上から見た透視図であり、どの基が軸方向（垂直に上向きまたは下向き）で、どの基が赤道方向（ほぼ水平で、わずかに上向きまたは下向き）であるかを明確に示します。前面の結合は、より太い線やくさび形で強調表示することも、強調表示しないこともできます。立体配座は、椅子型から半椅子型、ねじれ舟型、舟型、ねじれ舟型、半椅子型、椅子型へと変化します。シクロヘキサンの立体配座は、図に示すように、各段階におけるポテンシャルエネルギーを示すためにも使用できます。椅子型立体配座（A）は最もエネルギーが低く、半椅子型立体配座（D）は最もエネルギーが高いです。舟型立体配座（C）にはピーク/局所最大値があり、ねじれ舟型立体配座（B）には谷/局所最小値があります。さらに、シクロヘキサンの配座は、分子が1,3ジアキシャル相互作用、すなわち1,3炭素、3炭素、5炭素上のアキシャル置換基間の立体相互作用を有するかどうかを示すために使用できる。[ 8 ]
ハワース投影法は環状糖類に用いられる。軸方向と赤道方向の位置は区別されず、置換基は結合している環原子の真上または真下に位置する。水素置換基は通常省略される。
しかし、ハワース投影図を読む際に留意すべき重要な点は、環状構造が平面ではないということです。したがって、ハワース投影図は3D形状を示しません。ノーマン・ハワース卿は、炭水化物の研究とビタミンCの構造の発見でノーベル賞を受賞したイギリスの化学者です。発見の過程で、彼は現在ハワース投影図と呼ばれるさまざまな構造式も導き出しました。ハワース投影図では、ピラノース糖は六角形として、フラノース糖は五角形として描かれます。通常、酸素はピラノース糖では右上隅に、フラノース糖では上中央に配置されます。環の上部の細い結合は、より遠い結合を示し、環の下部の太い結合は、観察者により近い環の端を示します。[ 9 ]
フィッシャー投影図は主に直鎖状単糖類に使用されます。任意の炭素中心において、垂直結合線は立体化学的な破線に相当し、観察者から遠ざかる方向を向いています。一方、水平線はくさび形に相当し、観察者に向かっています。糖類がこのような多重重なり配座をとることは決してないため、この投影図は非現実的です。しかしながら、フィッシャー投影図は、実際の配座に関する知識を必要とせず、また示唆することもなく、複数の連続する立体中心を描写する簡単な方法です。フィッシャー投影図は3次元分子を2次元に制限するため、キラル中心の配置を変更することには制限があります。フィッシャー投影図は、キラル炭素上のRおよびS配置を決定するために使用され、これはCahn Ingold Prelogの規則を使用して行われます。これは、エナンチオマーとジアステレオマーを表現し、区別する便利な方法です。[ 9 ]
構造式は、化学構造の特定の側面を表現できない簡略化されたモデルです。たとえば、形式化された結合は、非局在化結合などの動的システムには適用できない場合があります。芳香族性はそのような例であり、結合の表現には慣例に依存します。構造式のスタイルが異なると、芳香族性を異なる方法で表現することになり、同じ化学化合物でも異なる表現になることがあります。もう1つの例は形式的な二重結合で、電子密度が形式的な結合の外側に広がっているため、部分的な二重結合性となり、室温での相互変換が遅くなります。すべての動的効果において、温度は相互変換速度に影響を与え、構造の表現方法を変える可能性があります。構造式には明示的な温度は関連付けられていませんが、多くの人が標準温度であると想定しています。
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