反応と物性の予測

計算化学の成果は予測にあります。すなわち、反応がどのように進行するか、その速度、そして分子が合成または測定される前の構造的、電子的、分光学的特性の予測です。

Definition

解釈と設計に利用するため、反応挙動と分子物性を予測することを目的とした計算化学の総体的な目標と手法。

Scope

遷移状態と反応経路を通じた反応機構と反応速度の計算による特性評価、定量的構造-物性関係および構造-活性関係を通じた分子物性および生物活性の推定、連続体モデルおよび明示的モデルを用いた溶媒効果の処理、ならびにスペクトルの予測を扱います。他の分野の手法を化学的な問題に応用します。

Sub-topics

• 計算分光法
• QSARと物性モデリング
• 反応経路と遷移状態
• 溶媒和と連続体モデル

Core questions

• 計算から反応機構、障壁、および速度はどのように得られるのでしょうか？
• 分子構造から物性および活性はどのように予測されるのでしょうか？
• 溶媒効果および環境効果はどのように組み込まれるのでしょうか？
• スペクトルはどのように計算され、実験の解釈にどのように用いられるのでしょうか？

Key theories

遷移状態理論

反応速度をポテンシャルエネルギー表面上の遷移状態の特性に関連付け、計算された障壁と反応速度を結びつける枠組みを提供します。

構造-物性関係

分子の物性および活性は、その構造的特徴から予測することができ、物理的に計算された量または統計モデルのいずれかを通じて、物性駆動型設計を可能にします。

Clinical relevance

反応性、物性、およびスペクトルを計算によって予測することは、合成計画、触媒および材料設計、環境運命評価、ならびに化学における実験測定の解釈を導きます。

History

アイリングの遷移状態理論とハンシュの定量的構造-活性関係に根ざし、信頼性の高い電子構造計算手法と溶媒和計算手法の発展とともに計算予測は成長し、化学および創薬における実験の日常的なパートナーとなりました。

Key figures

• Henry Eyring
• Christopher Cramer
• Donald Truhlar
• Corwin Hansch

Seminal works

• cramer2004
• jensen2017

Frequently asked questions

反応の計算予測の精度はどの程度ですか？

精度は手法と系に大きく依存します。高レベルの手法による障壁は小分子に対しては非常に信頼性が高い場合がありますが、大きな系や強く相関する系では、より大きく予測不可能な不確実性が伴います。

どのような種類の物性が計算によって予測できますか？

これらには、幾何構造、エネルギーと障壁、双極子モーメント、酸性度、レドックス電位、溶解度、スペクトル、および生物活性が含まれ、物理計算、統計モデル、またはその両方を用いて予測されます。