化学構造と有機化学

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化学構造と有機化学の違い

化学構造 vs. 有機化学

化学構造（かがくこうぞう、chemical structure）とは、物質の化学的性質を分子などの内部構造と関連させた概念であり、その表記方法は化学式として表される。分子を構成する構造的な位置情報である分子構造は分子立体モデルで表される。 すなわち、特定の化学的性質は固有の分子構造に起因するという化学的パラダイムが化学構造である。それ故、化学構造の要素である特性基や官能基は化学的性質の概念と密接に関連している。 今日の分子構造概念は、量子力学に基づいて分布する電子と原子核の配置を定式化した分子軌道法の予測結果として理解され、個々の分子やそれを構成する原子の振舞を研究する分子動力学は電子と原子核との間に生じる静電相互作用を力学的に解析する、物理学に立脚した物理化学的な分子像である。 それに対して今日の応用化学や特に有機化学の領域においては厳密な分子構造ではなく化学構造を使って化学変化や化学的性質を把握する場面が多い。これは単に構造を表しているだけでは無く、その構造が有する化学的性質とその理論的背景を具象化することが、その研究対象を表現する上で有用な為である。 化学構造論の原点は有機化学の領域ではアウグスト・ケクレとアーチボルド・クーパーが確立した構造論であり、無機化学の領域ではアルフレート・ヴェルナーの配位説である。化学構造論以前の化学においては、化学的性質は物質を構成する元素の成分比により決定づけられると考えられていた。 これらの化学構造の理論が、今日のように分子構造を原子核物理学や量子力学の諸法則が確立する以前に成立したことは特筆に値する。すなわち、化学構造の理論は原子の物理的挙動から演繹的に導かれたものではなく、化合物や反応における化学的性質から帰納的に導き出されたものである。そして今日では化学構造の概念は物理化学的な諸理論により再検証され補正・発展している。このように化学理論と物理理論の統合が進展した結果、化学構造と分子構造とは概念的に同一視できるまでになってきている。. 有機化学（ゆうきかがく、英語：organic chemistry）は、有機化合物の製法、構造、用途、性質についての研究をする化学の部門である。 構造有機化学、反応有機化学（有機反応論）、合成有機化学、生物有機化学などの分野がある。 炭素化合物の多くは有機化合物である。また、生体を構成するタンパク質や核酸、糖、脂質といった化合物はすべて炭素化合物である。ケイ素はいくぶん似た性質を持つが、炭素に比べると Si−Si 結合やSi.

基

化学において、基（き、group、radical）は、その指し示すものは原子の集合体であるが、具体的には複数の異なる概念に対応付けられているため、どの概念を指すものかは文脈に依存して判断される。 分子中に任意の境界を設定すると、原子が相互に共有結合で連結された部分構造を定義することができる。これは、基（または原子団）と呼ばれ、個々の原子団は「～基」（「メチル基」など）と命名される。 「基」という語は、上に述べた原子団を指す場合と、遊離基（またはラジカル）を意味する場合がある。後者の用語法は、日本語でかつて遊離基の個別名称を原子団同様に「～基」（「メチル基」など）としていたことに由来するが、現在ではほとんどの場合「ラジカル」、「遊離基」と呼ぶ。原語における経緯についてはラジカルの項に詳しい。以上、語義の変遷は、おおかた右図のようにまとめられる。 以下この記事では、原子団たる基（group）について述べる。.

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化学

化学（かがく、英語：chemistry、羅語：chemia ケーミア）とは、さまざまな物質の構造・性質および物質相互の反応を研究する、自然科学の一部門である。言い換えると、物質が、何から、どのような構造で出来ているか、どんな特徴や性質を持っているか、そして相互作用や反応によってどのように別なものに変化するか、を研究する岩波理化学辞典 (1994) 、p207、【化学】。 すべての--> 日本語では同音異義の「科学」（science）との混同を避けるため、化学を湯桶読みして「ばけがく」と呼ぶこともある。.

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分子軌道法

水素分子の分子軌道ダイアグラム。 量子化学において、分子軌道法（ぶんしきどうほう、Molecular Orbital method）、通称「MO法」とは、原子に対する原子軌道の考え方を、そのまま分子に対して適用したものである。 分子軌道法では、分子中の電子が原子間結合として存在しているのではなく、原子核や他の電子の影響を受けて分子全体を動きまわるとして、分子の構造を決定する。 分子軌道法では、分子は分子軌道を持ち、分子軌道波動関数 \psi_j^\mathrmは、既知のn個の原子軌道\chi_i^\mathrmの線形結合（重ね合わせ）で表せると仮定する。 ここで展開係数 c_について、基底状態については、時間依存しないシュレーディンガー方程式にこの式を代入し、変分原理を適用することで決定できる。この方法はLCAO近似と呼ばれる。もし\chi_i^\mathrmが完全系を成すならば、任意の分子軌道を\chi_i^\mathrmで表せる。 またユニタリ変換することで、量子化学計算における収束を速くすることができる。分子軌道法はしばしば原子価結合法と比較されることがある。.

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アウグスト・ケクレ

フリードリヒ・アウグスト・ケクレ・フォン・シュトラドーニッツ（Friedrich August Kekulé von Stradonitz, 1829年9月7日 - 1896年7月13日）はドイツの有機化学者。 ハイデルベルク大学、ベルギーのヘント大学を経て、1867年より終生ボン大学教授の職にあった。 メタン、硫化水素などの型を提唱し、メタンの型を拡張して、炭素原子の原子価が4であること、また炭素原子同士が結合して鎖状化合物を作ることを提唱した。 その後、芳香族化合物の研究へと移り、ベンゼンの構造式として二重結合と単結合が交互に並んで六員環を構成するケクレ構造（亀の甲）を提唱した。 ケクレは原子同士が連なっていく夢を見て鎖状構造を思いつき、ヘビ（ウロボロス）が自分の尻尾を噛んで輪状になっている夢を見てベンゼンの六員環構造を思いついたといわれている（後述）。その後、置換ベンゼンの異性体の数をケクレ構造で説明するためにベンゼン環は2つのケクレ構造の間を振動しているという仮説を提唱した。.

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量子力学

量子力学（りょうしりきがく、quantum mechanics）は、一般相対性理論と同じく現代物理学の根幹を成す理論として知られ、主として分子や原子、あるいはそれを構成する電子など、微視的な物理現象を記述する力学である。 量子力学自身は前述のミクロな系における力学を記述する理論だが、取り扱う系をそうしたミクロな系の集まりとして解析することによって、ニュートン力学に代表される古典論では説明が困難であった巨視的な現象についても記述することができる。たとえば量子統計力学はそのような応用例の一つである。従って、生物や宇宙のようなあらゆる自然現象もその記述の対象となり得る。 代表的な量子力学の理論として、エルヴィン・シュレーディンガーによって創始された、シュレーディンガー方程式を基礎に置く波動力学と、ヴェルナー・ハイゼンベルク、マックス・ボルン、パスクアル・ヨルダンらによって構成された、ハイゼンベルクの運動方程式を基礎に置く行列力学がある。ただしこの二つは数学的に等価である。 基礎科学として重要で、現代の様々な科学や技術に必須な分野である。 たとえば科学分野について、太陽表面の黒点が磁石になっている現象は、量子力学によって初めて解明された。 技術分野について、半導体を利用する電子機器の設計など、微細な領域に関するテクノロジーのほとんどは量子力学を基礎として成り立っている。そのため量子力学の適用範囲の広さと現代生活への影響の大きさは非常に大きなものとなっている。一例として、パソコンや携帯電話、レーザーの発振器などは量子力学の応用で開発されている。工学において、電子工学や超伝導は量子力学を基礎として展開している。.

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