情報化学 循環環境工学科2年前期.

Presentation on theme: "情報化学 循環環境工学科2年前期."— Presentation transcript:

1 情報化学 循環環境工学科2年前期

2 講義内容 情報化学とは 化学物質の情報検索 データベースを用いた化合物の定性と定量 吸光分析 構造活性相関 分子の基本的情報
分子の構造パラメータ 環境に関わる化合物 プラスチック データベースを用いた化合物の定性と定量 原子吸光法 GC-MS 吸光分析 UV・可視吸光スペクトル 赤外線吸収スペクトル 構造活性相関 QSARとは log　Powについて Log Powを用いた毒性予測

3 次の化合物の構造式を示しなさい 酢酸 ベンゼン アセトアルデヒド ニトロベンゼン フェノール アセチレン ブタン エタノール
エチレングリコール テレフタル酸

4 インターネットを用いた情報収集 化合物の情報検索
化合物の索引情報 分子式 化合物名（慣用名，国際名） 登録番号（CAS番号，JIS番号） 分子の構造（2次元，3次元） 化合物の性質 物性値（融点，沸点，密度等） スペクトルデータ（GC-MS，UV，IR) 毒性や環境基準 分解性，蓄積性 化関連する法律 化学物質審査規制法（化審法） 化学化学物質管理促進法 大気汚染防止法 水質汚濁防止法 情報の源泉（論文の情報） 　　　いつ，どこで（学術雑誌，公的機関の報告書），誰が発表したか，データの信頼性を考える上で非常に重要． 実験化学講座 化学便覧 　図書館のHPで検索可能 日化辞Web 分子の教材データベース 　　　　新潟女子短大本間善夫教授のホームページ　 独立行政法人産業技術総合研究所　－有機化合物のスペクトルデータベース－

5 情報検索：実際に検索を行ってみる。 日化辞Webで実際に「ダイオキシン」で検索 (1)　大まかな検索 (2)　詳細情報

6 安全性・毒性に関する情報 神奈川県環境科学センターのホームページより

7 次の化合物のCAS番号，英語名を調べなさい
安息香酸 トルエン ホルマリン BHC DDT アスピリン PCB アセチレン イソフラボン エタノール ナフタレン オクタノール

8 分子構造の表し方 2次元構造 （例）バニリン 構造式の表記法：molfile
2次元構造 （例）バニリン 構造式の表記法：molfile 　　化学構造の原子を節、結合を枝とするグラフ構造で表現され、入力デバイスに書かれた節点の座標と原子の種別を表すアトムリストと、結合をアトムリストの2つの要素を指定して結合の種別と供に表す結合リストから構成される。 SMMXDraw D V2000 C C O C C O C C C C O M END

9 分子構造の表し方 2次元構造 構造式（SymixDrawを用いた分子の描画） 構造式の表記法：Smiles
　　Simplified molecular input line entry specification syntax）とは、分子の化学構造をASCII符号の英数字で文字列化した構造の曖昧性の無い表記方法 　　（例）バニリン 　　（例）ダイオキシン SymixDrawにより発生させることができる O=CC1=CC(OC)=C(O)C=C1

10 次の化合物の構造式を示し，Smiles表記を示しなさい。
安息香酸 トルエン ホルマリン BHC DDT アスピリン PCB（ポリ塩化ビフェニル） スミチオン TCE（トリクロロエチレン） PCE（テトラクロロエチレン） オクタノール ナフタレン

11 分子のもつ3次元構造 名称、CAS番号、分子量 構造式、感応基 分子の三次元構造とそれを表すパラメータ 分子構造の例（医薬品や農薬の構造）
どこにあるか：丸善（実験化学講座，化学便覧など）： ChemExper Chemical Directory：

12 分子の３次元構造の表示 動く香りの分子事典：http://www.weblio.jp/category/academic/ugoka
動く薬物事典： 動く農薬事典： 動く高分子事典：

13 次の化合物から３つを選び，その構造式を示しなさい。更に，特徴的な結合距離，結合角の値を示しなさい。
酢酸 トルエン ホルマリン ニトロベンゼン フェノール アスピリン PCB アセチレン イソフラボン エタノール ビスフェノール-A テレフタル酸

14 次の英語を日本語に，日本語を英語に翻訳しなさい。
酢酸 分子 結合距離 結合角 トルエン ビスフェノールーA Benzoic acid Chemical equation Dihedral angle Molecular structure Three dimension Density Million trillion

15 環境基準と濃度 大気汚染に係る環境基準 環境基準：その物質 の持つ有害性のために、 土壌汚染に係る環境基準 それ以上の濃さでは存
汚染物質の種類 環境基準：その物質 の持つ有害性のために、 それ以上の濃さでは存 在すると健康に害が及 ぶ濃度 2. 濃度の表わし方(モル濃度と重量濃度） ppm（parts per million,通常，重さの割合） ppb(parts per billion) mol/L（モル濃度） mg/L（質量濃度）

16 特定の化合物の環境基準 トリクロロエチレン 検液１㍑につき0.03mg以下であること。
検液1㍑とは？ (a)JISK0125試験は工業用水及び向上排水中の揮発性有機化合物のうち，ジクロロメタン，トリクロロエチレンなどのハロゲン化された有機化合物の試験方法 (b)パージトラップ－ガスクリマトフラフ質量分析法

17 パージトラップ－ガスクリマトフラフ質量分析法
ガラス製容器に採取した試料の適量（0.5-25ml）をガスタイトシリンジを用いてパージ容器に注入する。パージ容器を高温槽に入れ試料の温度を一定（例えば20度または40度以下）にした後、不活性ガス（ヘリウムまたは窒素）をパージガスとして一定量通気し、試料中に含まれる測定対象物質である揮発性有機化合物を気相に移動させトラップ管に捕集する。捕集後、トラップ管を加熱（例えば180度または280度）し、キャリアーガス（ヘリウム）を通気してトラップ管から揮発性有機化合物を脱離し、冷却凝縮装置（例えば‐50度または‐120度）で冷却凝縮（クライオフォーカス）させる。次に、冷却凝縮装置を加熱し、キャリアーガスで揮発性有機化合物をGC-MSに導入する。 （アジレント・テクノロジーのHPより）

18 化合物の定性と定量 定性：分子や化合物が何であるかを特定する． 定量：分子や化合物がどれくらい含まれているかを特定する

19 データベースを用いた既知化合物の検出 無機化合物、元素の定量 有機化合物 LC-MS（液体クロマトグラフと質量分析計）
原子吸光により、量と種類が同時に特定できる CP-AES（ICP - Atomic Emission Spectrometry、ICP発光分光） 原子吸光分析法 (Atomic Absorption Spectrometry, AAS) 有機化合物 GC-MS（ガスクロまとグラフと質量分析計） 定量：検量線を作成することにより可能 定性：GC-MSのライブラリと照合することにより特定可能 LC-MS（液体クロマトグラフと質量分析計）

20 原子吸光に関する次の語を説明しなさい 基底状態 励起状態 吸収スペクトル ランベルト・ベールの法則

21 無機化合物、元素の定量 原子吸光(Atomic Absorption Spectrometry)により、量と種類を同時に測定することができる． 高温媒体として空気-アセチレン炎や亜酸化窒素-アセチレン炎などの化学炎が主として用いられる。 図2は原子吸光装置の概念図．光源には、中空陰極ランプと呼ばれる、それぞれ目的元素の原子発光を放射するランプを利用する。一方、試料溶液はバーナーの炎中に噴霧され、目的元素の原子蒸気をつくる。その蒸気がランプからの光を共鳴吸収する。分光器により目的元素の共鳴原子線を選び出し、その波長における吸収を測定する。 吸光度をA、目的元素濃度をC、原子化部の長さをlとすると、次式が成立する。 　　　　A = k×C×l 　　ここでkは比例定数である。最新の装置では、一度のいくつかの元素の定性・定量を行うことができる。

22 元素の特定吸収波長 熊本大学薬学部附属創薬研究センター 機器分析施設HPより

23 Cu,Znの分析法 ICP発光分光 　　　ICPによってサンプルを原子化・熱励起し、これが基底状態に戻る際の発光スペクトルから元素の同定・定量を行う方法である。 原子吸光分析法 (AAS) 　　　試料を高温中（多くはアセチレン-空気炎中や黒鉛炉中）で原子化し、そこに光を透過して吸収スペクトルを測定することで、試料中の元素の同定および定量を行うものである。主として、工場排水などの水溶液中に含まれる微量元素の検出に用いられる。特定の波長を発光する光源が必要となる。 熊本大学薬学部附属創薬研究センター 機器分析施設HPより

24 「定量分析」について調べなさい。 検量線を用いて，有機化合物の定量ができる理由を調べなさい。

25 質量分析計の原理 　ＭＳは、物質を構成している個々の化合物の質量（重さ）を正確に測定し、その重さからその化合物が何で、どれ位あるのかを調べる装置。ＭＳの基本原理は、イオン（電気を帯びた原子、分子）を一定の速度に加速して磁場の中を通過させてやると、そのイオンの持っている質量数（重さ）に応じて磁場の強度に より軌道が曲げられるという性質を利用したもので，電子が磁場を通って軌道を曲げられる性質を利用して作られたテレビのブラウン管の原理と似ている． 図 ａ） のように、左から同じエネルギーでイオンを加速 磁場の強さを一定にすると、磁場の影響で質量の小さい（軽い）イオンから順に軌道が，到達するイオンの位置を検出する質量スペクトルを得ることによって、定性と定量が可能。 　実際のＭＳ は、図 ｂ） のようにイオンの軌道を一定にしておいて、磁場の強さを変化させることによって、各イオンの種類と量を一つの検出器で測定．検出されたものは、質量 スペクトルといわれ、通常横軸に質量電荷比(ｍ／ｚ）、縦軸にイオン強度（どれだけの量があるか）をとった多くのピーク群からなるグラフ（ｃ））として示されます。 日本電子㈱のホームページより

26 ＧＣ／ＭＳによる実際の測定 力 磁力線 電流 フレミングの左手の法則 N 磁力線の方向 電流の方向 S 電磁力の方向 検出されたデータは、あらかじめコンピュータに入っているデータ（ライブラリー）と比較照合され，化合物が何であるかが特定される．

27 次の問に答えなさい C7H8の分子式で与えられる化合物の構造式，名称，用途を示しなさい。

28 o-cresol p-cresol anisole m-cresol

29 次の問に答えなさい C7H6O2の分子式で与えられる4つの化合物の構造式，名称，用途，MSースペクトルの特徴を示しなさい。
benzoic acid salicylaldehyde p-hydroxybenzaldehyde methyl-p-benzoquinone tropolone

30 次の日本語を英語に直しなさい 原子吸光分析法 質量分析法 トリクロロエチレン 電流 クレゾール 紫外線 赤外線 可視光 データベース
有機化合物 基底状態 励起状態

31 次の分子の分子量を計算しなさい 原子量は以下のものを使いなさい H 1.0 C 12.0 N 14.0 O 16.0 Cl 35.5
S　32.0 安息香酸 TCE ホルムアルデヒド ベンゼン エチレングリコール グリシン ニトロベンゼン 硫酸 塩化水素

32 以下の問いに答えなさい 地下水を採取して，そのなかのトリクロロエチレン（TCE)の濃度を測定したところ，2.30×10-6Mであった．この濃度は，環境基準をこえているかどうかを確認しなさい． TCEの環境基準0.03 mg/L TCE（C2HCｌ３）の分子量　12× ×3＝131.5 TCE　 2.30×10-6M=131.5× 2.30×10-6=0.302mg/L 環境基準を超えた値と成っている。

33 分光学分析 全ての光学分析には電磁波が関わっている。
電磁波は波長の長さによってγ線、X線、紫外線、可視光、赤外線、マイクロ波、ラジオ波などに区別される。 紫外・可視吸収スペクトル IR(Infra Red、赤外) 地球温暖化ガスとは

34 吸光光度法 透過前の光の強度 I0 透過後の光の強度 I 吸光度Aは次式で定義される I0 I A= -log(I/I0) = e×c×l
（ランベルト/ベールの法則） ：モル吸光係数 c：濃度 l: セルの長さ I0 I Wikipedia 分光からの図 紫外部の測定には重水素放電管(D2ランプ)を使用し、可視部の測定にはタングステンランプやハロゲンランプを用いる。

35 紫外・可視吸光スペクトル 可視部の波長は約360～780nm 紫外部は可視部よりも低波長側の約200～360nm
光が当たるとヒトは物質固有の色を見ることができる。これは物質が吸収した波長の光以外の光をヒトの目が認識するため． 青色の物質は，青色の補色の光を吸収している．そのため，青色の光が反射して目に入いる．これが青色の物質が青色に見える理由である。

36 UV・可視吸光スペクトルの例 ウイキペディア，紫外・可視・近赤外分光法の項目より

37 紫外可視近赤外分光光度計 分光光度計用セル（藤原製作所のホームページより） （日本分光株式会社のホームページより）

38 以下のことについて記述しなさい． 地球温暖化を記述したホームページを４つ検索し，要約しなさい． URL名を記述することを忘れないこと．
内容について，簡単にコメントしなさい．

39 アセトアルデヒドの赤外線（IR)スペクトル
赤外線は分子振動のエネルギーと同等の電磁波である 振動モードに応じた特定の赤外線のみが吸収される

40 地球温暖化と温室効果ガス 温室効果ガス（Greenhouse Gas, GHG）
　大気圏にあって、地表から放射された赤外線の一部を吸収することにより温室効果をもたらす気体の総称。 水，二酸化炭素，メタンなどがその効果を持っている 地球温暖化係数 物質 温暖化係数 CO2 1.0 CHF3 11,700 CF3CHF2 2,800 CH4 21 CH2CF2 650 CF2HCF2H 1,000 地球温暖化対策の推進に関する法律施行令（平成11年4月7日政令第143号）

41 過去140年間の気温の変化 産業革命：イギリスで1760年代から1830年代にかけて始まった
気候変動に関する政府間パネル（Intergovernmental Panel on Climate Change、IPCC）報告から

42 過去３４万年間の二酸化炭素とメタンの濃度と南極の気温との関係
気温のグラフから，この３４万年の間には温暖な「間氷期」が現在を含めて４回あり（黄色く塗ってある期間），それ以外の時期は寒冷な「氷期」だったことが 分かります。二酸化炭素とメタンの濃度は気温と密接に関係していて，間氷期に高く氷期に低いことから，気候変動によって温室効果気体の循環が大きく変化し ていたことが分かります。さらに，氷期から間氷期に向かって気温が急上昇するとき，温室効果気体濃度も同期して急上昇しています。このことは，二酸化炭素 やメタンの濃度上昇による温室効果の強まりが気温の上昇をさらに強めるという「正のフィードバック」が過去に働いていたことを示唆しています。 「東北大学大学院理学研究科大気海洋変動観測研究センター」のホームページ

43 次の問に答えなさい 分子中に硫黄に原子を含む化合物A(分子量142)が、硫黄を含まない溶媒 に溶けている。この溶液中の硫黄は、質量パーセント濃度で1.0%であった溶液中の化合物Aの質量パーセント濃度はいくらか。次の中から最も近いものを一つ選べ。ただし、硫黄の原子量は32とする。 1.1% 2.3 % 4.4 % 11 % 23 % 分子の振動スペクトルに関する次の記述のうち、(ア)と(イ)に入る語句の組合せとして、正しいものを1-5の中から一つ選べ。 分子振動のエネルギー準位の間隔は波数換算でおよそ5~5000cm-1であり、振動準位の励起では[ ア ]領域の電磁波が吸収される.同じく分子振動の情報を与えるラマン散乱スペクトルにおいて、波長500nmのレーザー光を光源に用いた場合には、入射光からの波数シフトが cm-1の範囲にあるラマン散乱光は[ イ ]領域の電磁波である。 ある化合物の、濃度の異なる水溶液AとBがある。可視光吸収を測定したところ、透過光の強度は、Aでは入射光の1/9であり、Bでは入射光の1/3であっ た。Aにおける化合物の濃度は、Bにおける化合物の濃度の何倍になるか。次の中から最も近いものを一つ選べ。ただし、A、 Bは同じ光路長で測定し、この水溶液の光吸収はランベルト・ベールの法則に従うものとする。また、log103=0.48とする 0.3　倍 0.5　倍 2　倍 3　倍 5　倍 (ア) (イ) 1 赤外 2 可視光 紫外 3 4 5

44 次の問に答えなさい 密閉容器中で、CH4 9.6 gとO2 48 gの混合物を完全燃焼させた。このとき、容器中に存在するすべての化合物の物質量の合計はどれだけになるか。次の中から最も近いものを一つ選べ。ただし、Hの原子量は1.0，Cの原子量は12，Oの原子量は16とする。 1.2 mol 1.5 mol 1.8 mol 2.1 mol 2.4 mol 吸光光度法に関する次の記述の中から、正しいものを一つ選べ。 重水素ランプは、主として可視部の測定に使用される。 石英ガラス製セルは、可視部測定用であり、紫外部測定用としては使用できない。 光源からの光を分光するために、プリズム、回折格子などが使われる。 タングステンランプは、主として紫外部の測定に使用される。 測定成分濃度と吸光度とは、反比例の関係にある。 環境計量士（濃度）試験問題

45 ▼ラマン分光法と赤外分光法の違い ラマン分光法以外にも、分子の振動情報より分子構造を解析する振動分光法に赤外分光法があります。赤外分光法は、分子の振動エネルギーに相当する光エネルギーの吸収、赤外吸収スペクトル(IRスペクトル)を検出する方法です(図3)。一方ラマン分光法は、入射光に対して分子の振動エネルギー( - )だけシフトしたラマン散乱を観測します。このため、赤外分光法とラマン分光法では同じ官能基の振動モードが同じ波数に検出されます。 L-シスチンのラマンおよびIRスペクトルを図4に示します。原理的な違いから、ラマン分光法ではS-SやC-C結合のように分子の振動によって分極率(電子雲)の体積が大きく変化する対称性のよい振動モードが強く検出されます。赤外分光法ではC=OやO-Hのように振動によって双極子モーメント(電荷の偏り)が大きい振動モードが非常に強く検出されます。双方の分析手法を併用することで詳細な分子構造を解析することが可能です。 図3　振動エネルギー準位 図4　L-シスチンのラマンおよびIRスペクトル 日本分光㈱のホームページより

46 次の問いに答えなさい 「化学物質の審査及び製造等の規制に関する法律」は何を規制する法律か，調べなさい
この法律により，企業は何をすることが求められているかを調べなさい

47 物性推算の必要性 化審法 昭和48(1973)年に「化学物質の審査及び製造等の規制に関する法律」が制定され、新たに製造・輸入される化学物質について事前に人への有害性などについて審査するとともに、環境を経由して人の健康を損なうおそれがある化学物質の製造、輸入及び使用を規制する仕組みが設けられた。 30年以上経ってもすべての既存化学物質の安全性の評価ができなかった。 安全性を，情報化学的に推算する必要が

48

49 環境省環境保健部化学物質審査室　木野修宏氏の説明スライド

50 有機溶媒／水系の分配係数 P 分配係数 P = (有機溶媒相の濃度)/ (水相の濃度)
分配係数：化合物全体の疎水性を表す数値。分配係数は化合物が水と有機溶媒（n-オクタノールが一般的）の二相に溶解したときの平衡溶解度比を実測した値 疎水性：水に対する親和性が低い、すなわち水に溶解しにくい、あるいは水と混ざりにくい物質または分子（の一部分）の性質の

51 有機化合物の２相への分配 　log P は定量的構造活性相関において必ず用いられる物性値で，分子と分子の相互作用の大小を考える重要な目安となっている。 　例えば催眠薬にとっての理想の log P は2とされるなど，薬物が活性部位に結合するか否かの尺度となっている（山川ほか，「メディシナルケミストリー」，p.34，講談社）。また，におい分子や味分子の化学構造と活性を考える上でも重要な指標としてしばしば取り上げられる。 メチルレッド log Pow= －0.66 （推定値） 写真１　指示薬を用いたオクタノール／水系の分層実験の例（左：メチルレッド，右：メチルオレンジ）． メチルオレンジ log Pow=3.83 （推定値）

52 オクタノール／水系の分配係数 P

53 次の化合物のLog Pを調べなさい http://www.chemexper.com/
酢酸 トルエン ホルマリン ニトロベンゼン フェノール アスピリン PCB アセチレン イソフラボン エタノール ビスフェノール-A テレフタル酸

54 定量的構造活性相関（QSAR） 定量的構造活性相関（quantitative structure-activity relationship） ハンシュ（Hansch）-藤田の式，着目している生物活性を引き起こす薬物濃度C log (1/C ) ＝aπ2＋bπ＋ρσ＋cEs＋d （a，b，ρ，c，d は適用する系によって決まる定数） ここで疎水性因子 π は，薬物の母化合物（着目している置換基が結合していない化合物）のオクタノール／水系の分配係数 PH と，母化合物に置換基Xが結合した化合物のオクタノール（C8H17OH）／水系の分配係数 PX から次式で規定される。 π＝log PX－log PH 　＝log （ PX / PH ）

55 http://esc. syrres. com/interkow/interkow. exe
（　）の部分を他のCAS番号に変えて，それを入力する． （　　）の部分をCAS番号に変えるとNISTのデータベースにアクセスされ，データが表示される．

56 Log Pを用いた予測 生分解性と生物濃縮性の予測システム（BCF,魚類への生物濃縮倍率）
　LogBCF = 0.76logPow 生態毒性予測システム 化学物質の部分構造から魚類急性毒性試験における半数致死濃度（LC50）及びミジンコ遊泳阻害試験における半数影響濃度（EC50）を予測

57 情報化学とは プログラムのダウンロード SymyxDraw 3.3 　分子構造を描くために必要なソフトウエア．国際命名法に基づいた化合物名の作成，Smiles表記，Molファイルの作成が可能