有機分子の最外殻電子（価電子）の分布が初めて観測された。提供：松下玲子 / 写真提供：理化学研究所
名古屋大学の研究者らは、有機分子の価電子を実験的に初めて観察し、化学に大きな進歩をもたらした。
この発見は化学結合についての理解を深め、薬学や化学工学への応用の可能性を秘めています。新たに開発された CDFS 法を使用することで、グリシンやシチジンなどの分子の断片化された電子雲が観察され、量子力学的挙動が明らかになり、機能性材料の設計に役立っています。
価電子の画期的な観測
名古屋大学の研究チームが、有機分子の価電子（最外殻電子）の分布を初めて観測した。化学結合の基本的な性質を明らかにする画期的な発見は、最近、 アメリカ化学会誌これらの洞察は、医薬品や化学工学の進歩にとって極めて重要です。
電子の振る舞いの複雑さ
原子内の電子の挙動は複雑で、原子核への近さに応じて異なる機能を持つ電子軌道を形成します。内殻電子はコア電子と呼ばれ、自己安定化に使用され、他の原子と相互作用しません。一方、外殻電子、つまり価電子は、特に他の原子との結合時に、材料の特性のほとんどを定義します。
物質の特性を理解するには、その価電子に関する情報を抽出する必要があります。しかし、価電子情報だけを実験的に分離することは困難であり、研究者は理論モデルと分光法に頼ってそれを推定するしかありませんでした。
同研究グループは、SPring-8で世界最高水準の放射光X線回折実験を実施し、結晶中の原子の価電子密度のみを選択的に抽出できることを発見した。
SPring-8の放射光X線回折により価電子密度の直接観測が行われた。密度汎関数理論（DFT）と呼ばれる量子力学モデリング法を用いた理論結果は観測結果と一致した。提供：名古屋大学澤研究室 / 写真提供：理化学研究所
電子雲の可視化における画期的な進歩
「私たちはこの方法をCDFS法と名付けました。この方法を使用して、アミノ酸の一種であるグリシン分子の電子状態を観察しました」と責任著者の澤宏氏は述べた。「この方法は実行が比較的簡単でしたが、結果は印象的でした。観察された電子雲は、多くの人が予測したような滑らかで包み込むような形状ではなく、むしろ断片化された離散的な状態を示していました。」
結果の性質を理解するために、研究グループは観察結果のカラーマップを作成しました。化学では、カラーマップは特定の範囲にわたるデータセットの変化を色で表示します。このようなマップは、複雑なデータセットを直感的に解釈するために、分光技術、画像化、化学分析と組み合わせて使用されることがよくあります。
拡大図の断面図を見ると、炭素原子を取り囲む電子分布が途切れていることがはっきりとわかる。「炭素は周囲の原子と結合すると、電子雲を再構成して混成軌道を作ります。この場合、最外殻のL殻電子には波動関数と呼ばれる波動性に基づいた節点があります」と澤氏は説明する。「つまり、電子の波動性により混成軌道には電子が存在しない部分があり、多くの人が抱く連続した電子の雲のイメージとは大きく異なります」
電子マッピングからの量子力学の洞察
実験で観測された断片化された電子雲の分布は、物理学で予測されているように、電子の量子力学的波動性を実証しています。観測された電子雲が真の状態を正確に捉えているかどうかを確認するために、北海道大学と共同で高度な量子化学計算を実施し、実験結果と理論結果が完全に一致することを確認しました。
サワ氏は、この結果は学際研究のメリットを示していると考えている。「19世紀以来研究者を悩ませてきた結合状態の曖昧な理解に、明確な結論を出すのに役立ったと思います」とサワ氏は言う。「電子の挙動を視覚化することは困難な作業ですが、結果は電子が波動関数に従って行動しているという簡潔な理解が可能です。私たちの研究結果は多くの研究者を驚かせ、量子化学が提唱するモデルの正当性を立証したと思います。」
材料設計と化学研究への影響
この分子を形成する価電子密度分布を正確に理解した上で、研究グループは、もう少し複雑な分子であるシチジンに対して同様の実験と計算を実施しました。研究チームは、炭素二重結合内の電子の抽出に成功し、炭素-炭素結合と炭素-窒素結合の違いを明確に観察しました。
「今回の研究により、化学結合の本質を直接可視化することが可能となり、機能性材料の設計や反応機構の理解に貢献できる可能性があります。化学構造式だけでは推測が難しい分子の電子状態を議論する上で役立つからです。例えば、ある薬は効いて、他の薬は効かない理由を説明できるかもしれません。有機半導体やDNA二重らせん構造の研究など、相互作用が機能性や構造安定性に影響を与える分野は、私たちの研究から最も恩恵を受けるでしょう」と澤教授は話します。
Reference: “Unveiling the Nature of Chemical Bonds in Real Space” by Takeshi Hara, Masatoshi Hasebe, Takao Tsuneda, Toshio Naito, Yuiga Nakamura, Naoyuki Katayama, Tetsuya Taketsugu and Hiroshi Sawa, 17 July 2024, アメリカ化学会誌。
翻訳: 10.1021/jacs.4c05673
#画期的な価電子の可視化により化学結合の基本的な性質が明らかに