生体分子解析学 2016/7/9 機器分析 分光学 X線結晶構造解析 質量分析 熱分析 その他機器分析 1 演習 2016/7/9 人生が充実している人と、そうでない人は、何が一番ことなるので しょうか? 宿題 (予習) X線を用いた薬剤化合物の解析にはどのような方法がある か答えなさい。またその方法で何が解るかについても説明しなさい。 2 2016/7/9 X線分析法 X線吸収分光法 (XANES, EXAFS) 原子によるX線吸収を観測する分光法 蛍光X線分光法 原子が発する蛍光X線 (低エネルギー(= 長 波長)) を観測 する分光法 X線結晶構造解析 X線回折を利用して、分子の 造ではない) を決定する手法 三次元 構造 (化学構 粉末X線回折法 結晶 多形 を検出する手法。X線回折を利用して 結晶格子の違い (結晶相) を評価する手法。 3 X線回折とは 2016/7/9 X線回折はちょうど良い角度のときだけ起こる 出典:イメージから学ぶ構造解析法(第2版)定金豊 著、京都廣川書店 4 X線回折とは 2016/7/9 波の回折(波の干渉):強め合う場合 θ θ 5 2016/7/9 X線回折とは 波の回折(波の干渉):強め合う場合 2d sinθ = nλ nλ d= 2sinθ θ d d θ θ 面間隔d(分解能) は角度θの関数 d = f(θ) 面間隔 d = 分解能 6 2016/7/9 演習 X線が結晶の格子面に対して下図のように角度θで入射し、角 度θで散乱(反射)している(前提条件)。 この時、角度 a, b が a = θ, b = 2θとなることを証明しなさい。 θ d 面間隔 θ a d b d 7 演習 2016/7/9 X線が結晶の格子面に対して下図のように角度θで入射し、角 度θで散乱(反射)している(前提条件)。 この時、角度 a, b が a = θ, b = 2θとなることを証明しなさい。 正解者 32 部分正解者 17 誤答 26 計 75 中学校の数学(図形)の問題 8 2016/7/9 演習 角度 a, b が a = θ, b = 2θとなることを証明しなさい。 θとaに挟まれた角をcと すると a + c = 90° eq.1 θ θ + c = 90° eq.2 d a θ c eq.1とeq.2の差をとると a + c = 90° −) θ + c = 90° d b d a − θ = 0° 即ち、 a = θ 9 2016/7/9 演習 角度 a, b が a = θ, b = 2θとなることを証明しなさい。 角度 d, e, f, g, h を図の ように定義する。 ∠d (= ∠k) = ∠f = ∠h よって ∠h = θ ∠g = ∠e = θ ∠b = ∠g + ∠h = θ + θ = 2θ θ e d θ k a d d d f θ b θg θ h 10 宿題 2016/7/9 以下の文章から読み取れることを書き出しなさい。 例)A氏が軽井沢でゴルフをする時はいつも、40人近い長野 県警の警察官が警護に当たるのが常だった。 16歳の少年が郷里の新潟県から出稼ぎに上京したのは1934年 (昭和9年)のことだった。 余裕があれば以下の課題もやってみて下さい。 「定性(分析)」とはどのような分析かを説明しなさい(この 言葉の辞書の編集者になった気持ちで)。 11 宿題 2016/7/9 以下の文章から読み取れることを書き出しなさい。 16歳の少年が郷里の新潟県から出稼ぎに上京したのは1934年 (昭和9年)のことだった。 16歳で働く>少年の学歴は中学以下 16歳で働く>この時代はこの年齢で腹をくくって働かなけれ ばならない時代 16歳で出稼ぎに出なければならない>家は裕福ではないかも 1934年は第二次世界大戦の少し前>日本の世界の中の立ち位 置は発展途上国>国全体がまだ貧しい時期 新潟県は雪国>冬は雪で閉ざされる>生活も大変>冬場の労 働が限られる>やはり貧しさにつながる 12 X線回折とは 入射X線と回折 X線のなす角度 2016/7/9 回折X線 回折X線 2θ 入射X線 面間隔 13 X線分析法 2016/7/9 X線吸収分光法 (XANES, EXAFS) 原子によるX線吸収を観測する分光法 蛍光X線分光法 原子が発する蛍光X線 (低エネルギー(= 長波長)) を観測 する分光法 X線結晶構造解析 X線回折を利用して、分子の三次元構造 (化学構造では ない) を決定する手法 粉末X線回折法 結晶多形を検出する手法。X線回折を利用して結晶格子 の違い (結晶相) を評価する手法。 14 X線結晶構造解析 2016/7/9 回折点 格子状に並んでいる (厳密には逆空間中) 格子点 (h, k, l) で 各回折点を指定できる 各回折点は固有の強度を有している X線回折データ 格子点 (h, k, l) の 回折(X線)強度 逆フーリエ変換(コンピュータによる計算) 電子密度 電子密度への原子の割当 = 三次元構造の決定 15 2016/7/9 X線の散乱 X線回折 散乱X線の干渉 X線を散乱させる本体: 入射X線 e− 入射X線 e− 入射X線 e− 電子 y = f(x) yはxの関数の意 Σ(散乱X線) 散乱X線を 足し合わせ るの意 散乱X線 回折X線 散乱X線 散乱X線 散乱X線 = f(電子密度) 回折X線 = Σ(散乱X線) 回折X線 = f1(電子密度) 即ち、 電子密度 = f2 (回折X線) 16 X線結晶構造解析 2016/7/9 回折点 格子状に並んでいる (厳密には逆空間中) 格子点 (h, k, l) で 各回折点を指定できる 各回折点は固有の強度を有している X線回折データ 格子点 (h, k, l) の 回折(X線)強度 逆フーリエ変換(コンピュータによる計算) 電子密度 一次データ 電子密度への原子の割当 = 三次元構造の決定 (二次データ) 17 X線分析法 2016/7/9 X線吸収分光法 (XANES, EXAFS) 原子によるX線吸収を観測する分光法 蛍光X線分光法 原子が発する蛍光X線 (低エネルギー(= 長波長)) を観測 する分光法 X線結晶構造解析 X線回折を利用して、分子の三次元構造 (化学構造では ない) を決定する手法 粉末X線回折法 結晶多形を検出する手法。X線回折を利用して結晶格子 の違い (結晶相) を評価する手法。 18 結晶多形 (結晶相) とは 2016/7/9 同一分子が結晶内で、異なる配置で並んだ結晶を作る現象 結晶A 結晶B 結晶相の異なる結晶では、結晶(即ち薬物)の 溶解速度が異なる!!! バイオアベーラビリティ (腸管吸収速度等) に違いがでる!!! 薬の化合物の重要な規格の一つ 19 粉末X線回折 2016/7/9 2θ 粉末微結晶 (多数) 出典: Wikipedia 360° あらゆる方向に回折 回折点が 円周上にならぶ 元を正せば、単結晶の回折点 θ d 面間隔 d d θ nλ 面間隔 d の情報 d = 2sinθ 結晶格子の情報 結晶多形の確認 20 2016/7/9 結晶多形とは 同一分子が結晶内で、異なる配置で並んだ結晶を作る現象 結晶A 単位格子 d 面間隔 d が変化 結晶B 結晶格子が変化 nλ d= 2sinθ 単位格子 d 角度θが変化 粉末X線の回折パターンの変化 21 2016/7/9 粉末X線回折 2θ 粉末微結晶 (多数) 360° あらゆる方向に回折 出典: Wikipedia 回折点が 円周上にならぶ 回折像の赤線に沿って回折X線強度をプロットすると 回折X線 強度 2θ (回折角) 22 2016/7/9 粉末X線回折 tan(2θ) = H/L H 2θ 粉末微結晶 (多数) L 360° あらゆる方向に回折 よって、2θ = tan-1(H/L) θ = {tan-1(H/L)}/2 回折点が 円周上にならぶ 回折像の赤線に沿って回折X線強度をプロットすると 回折X線 強度 2θ (回折角) 23 粉末X線回折 2016/7/9 24 粉末X線回折 2016/7/9 結晶Aの回折ピークを1/2に 25 2016/7/9 粉末X線回折 結晶Aと結晶Bは回折角が 同じところにピークがある。 回折強度もほとんどそろっ ている。 結晶Aと結晶Bは結晶格子 (結晶相) が同一。 nλ d= 2sinθ 26 2016/7/9 粉末X線回折 結晶Aと結晶Cは回折角が 異なるところにピーク。 結晶Aと結晶Cは結晶格子 (結晶相) が異なる。 このような現象:結晶多形 nλ d= 2sinθ 27 粉末X線回折 2016/7/9 散漫な散乱 (ハローパターン) 粉末中の化合物が結晶格子 を形成していない (非晶質)。 =結晶でない 粉末中で化合物がデタラメな 向きにむいて凝集している。 28 X線分析法 2016/7/9 X線吸収分光法 (XANES, EXAFS) 原子によるX線吸収を観測する分光法 蛍光X線分光法 原子が発する蛍光X線 (低エネルギー(= 長波長)) を観測 する分光法 X線結晶構造解析 X線回折を利用して、分子の三次元構造 (化学構造では ない) を決定する手法 粉末X線回折法 結晶多形を検出する手法。X線回折を利用して結晶格子 の違い (結晶相) を評価する手法。 29 X線吸収分光法 (XANES, EXAFS) 2016/7/9 原子によるX線吸収(分光法) E = hν = h(c/λ) 短波長 高エネルギー側 長波長 低エネルギー側 30 X線吸収分光法 (XANES, EXAFS) 図1 2016/7/9 図2 左右反転 &拡大 (注意参照) 低エネルギー側 高エネルギー側 短波長 長波長 高エネル ギー側 低エネル ギー側 注意:高エネルギー側が図1と図2では逆 31 X線吸収分光法 (XANES, EXAFS) 図1 2016/7/9 XANES 原子の価数 配位の対称性 EXAFS 中心原子に対する 配位元素の情報 中心原子に対する 配位原子数 低エネルギー側 高エネルギー側 中心原子と配位原子 の原子間距離 32 配位とは 2016/7/9 配位結合:ルイス酸とルイス塩基の共有結合性の結合 空軌道 ルイス酸 (註) の空軌道に ルイス塩基が孤立電子対を提供し 形成される共有結合性の結合 Co2+ H2O ローンペア (孤立電子対) 註:ルイス酸:主に金属イオン 共有結合:両原子が不対電子を出し合って形成する結合 H H H H 33 2016/7/9 水中の金属イオン 配位子 (リガンド) 空軌道 Co2+ H2O ローンペア (孤立電子対) Co2+ H2O 六配位正八面体構造 アクア錯体:水分子が配位結合した金属-水分子複合体 錯体:金属イオンが形成する配位結合性の複合体 配位子:ローンペアを持つ分子(H2O, NH3, ピリジン等) 34 X線分析法 2016/7/9 X線吸収分光法 (XANES, EXAFS) 原子によるX線吸収を観測する分光法 蛍光X線分光法 原子が発する蛍光X線 (低エネルギー(= 長波長)) を観測 する分光法 X線結晶構造解析 X線回折を利用して、分子の三次元構造 (化学構造では ない) を決定する手法 粉末X線回折法 結晶多形を検出する手法。X線回折を利用して結晶格子 の違い (結晶相) を評価する手法。 35 2016/7/9 蛍光X線分光法 エネルギー 準位 0 M殻 L殻 一次X線 エネルギー 蛍光X線 エネルギー K殻 E = hν = h(c/λ) K, L, M殻のエネルギー準位が元素固有 元素の同定 36 宿題 2016/7/9 「定性(分析)」とはどのような分析かを説明しなさい(この 言葉の辞書の編集者になった気持ちで)。 定性(分析):おまかに性質を決定すること。 定性分析においては、「命題 」に対して、真 (yes) か偽 (no) かを決定すること。 例)水溶液中に特定の金属がいるか (yes) いない (no) かを調 べることは、典型的な定性分析。 蛍光X線分光法の説明の中で「資料物質の定性」と書いてあ るのをそのまま写された方が多かった。「資料物質の定性」 が何を指すのか曖昧。 37 演習 2016/7/9 1. 粉末X線回折において回折パターンから結晶相が判別できる 理由を、論理飛躍なく説明しなさい。 宿題 (12/22締切分) 絶対配置R体の化合物の比旋光度が30°であった。この化合物の 濃度2 g/mLの溶液を光路長20 cmのセルに入れた時の旋光度を 求めなさい。 (予習) 成功している人と、そうでない人は、何が一番異なるので しょうか? 38 冬休みの宿題 2016/7/9 1 2 39 冬休みの宿題 2016/7/9 下のグラフは、x軸正の向きに進む周期2.0秒の正弦波 (sin波) の、時刻0秒での変位y (m) の様子を表している。 (a) この波の高さはいくらか。 (b) この波の振動数 (周波数) はいくらか。 (c) この波の進行速度はいくらか。 (c) 任意の時刻 t(s) の、位置 x(m) での変位 y(m) を表す式を 求めよ。 40 冬休みの宿題 2016/7/9 1. 粉末X線回折において回折パターンから結晶相が判別できる 理由を、論理飛躍なく説明しなさい。 宿題 絶対配置R体の化合物の比旋光度が30°であった。この化合物の 濃度2 g/mLの溶液を光路長20 cmのセルに入れた時の旋光度を 求めなさい。 (予習) 成功している人と、そうでない人は、何が一番異なるので しょうか? 41
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