MolForma

題材6 立体化学（乳酸のR/S、2-ブテンのE/Z）

テンプレートを組み合わせただけの構造では、不斉中心の立体や二重結合の幾何は「たまたまできた形」です。乳酸の不斉中心の立体（R/S）と2-ブテンの二重結合の幾何（E/Z）を記録して確かめ、「不斉中心を反転」「E/Zを切替」でもう一方の異性体を作ります。E体とZ体はB3LYP/6-31G*で最適化と振動数を計算してエネルギーを比べます。

作るもの 内容
分子 乳酸 C₃H₆O₃（12原子）のR体・S体、2-ブテン C₄H₈（12原子）のE体・Z体
使う機能 立体を記録（R/S・E/Z）、3D画面のR/S・E/Zの表示、不斉中心を反転、E/Zを切替、名前を付けて保存
計算 B3LYP/6-31G*、最適化 → 振動数（2-ブテンのE体・Z体）
計算時間の目安 E体 約35分・Z体 約47分（MPI 2プロセス、ほかの計算と並行）
計算環境 AMD Ryzen 7 2700X（8コア・16スレッド）、メモリ 32 GB、NWChem 7.3.1（Linux）
練習データ lactic_R.molforma.json、lactic_S.molforma.json、butene_E.molforma.json、butene_Z.molforma.json

不斉中心にR/Sを表示した乳酸と、E/Zを表示した2-ブテン

R/S・E/Zの判定にはRDKitを使います。RDKitを含まないビルドでは「立体を記録（R/S・E/Z）」が無効になります（反転・切替は使えます）。

1. 乳酸を組んで立体を記録する

  1. 「ファイル → 新規」で、分類「骨格」の「エタン」を空白に置きます。
  2. 分類「置換基」の「カルボキシ –C(=O)OH」でC1の水素を1つ置き換え、続けて「ヒドロキシ –OH」でC1の残りの水素を1つ置き換えます。CH3–CH(OH)–COOH（C3H6O3 · 12原子）になります。

  3. 「全体整形」で整えて確定します。

    エタンにカルボキシ基とヒドロキシ基を付けて整形した乳酸。C1にメチル基・ヒドロキシ基・カルボキシ基・水素が付いている

    図1 組み立てて整形した乳酸（C3H6O3 · 12原子）。

  4. 右側の「変形」ページを開き、「立体」の「立体を記録（R/S・E/Z）」を押します。ステータスバーに「立体配置を記録しました: C1: S」のように出て、3D画面のC1のラベルが「C1 (S)」になります。どちらになるかは、置換基を付けた水素で決まります。

    C1を選んで「立体を記録（R/S・E/Z）」を押したところ。3D画面のC1のラベルが「C1 (S)」になり、ステータスバーに「立体配置を記録しました: C1: S」と出ている

    図2 「変形」ページの「立体を記録（R/S・E/Z）」を押すと、不斉中心のラベルにR/Sが付きます。

  5. 「ファイル → 名前を付けて保存…」で保存します（この例では lactic_S.molforma.json）。

2. 不斉中心を反転してもう一方を作る

  1. 不斉中心C1だけを選び、「変形」ページの「不斉中心を反転」を押します。C1に付いた2つの置換基（ここでは水素とメチル基）の位置が入れ替わり、ラベルが「C1 (R)」になります。

    「不斉中心を反転」を押したあと。C1の水素とメチル基の位置が入れ替わり、ラベルが「C1 (R)」になっている

    図3 「不斉中心を反転」で、C1の2つの置換基が入れ替わってR体になります。

  2. 別の名前（lactic_R.molforma.json）で保存します。

記録した立体は、その後の「全体整形」で守られます。整形の結果が記録と違う立体になる場合は「整形結果が記録済みの立体配置と異なります。元の構造を保持しました。」と出て、構造を変えません。

鏡像を横に並べて見比べるには、分子全体を選んで「変形」ページの「鏡映・複製」で「鏡像の写しを作る」をオンにして「指定平面で鏡映」を押します（写しは元の分子の+X方向6 Åに置かれます）。

3. 2-ブテンのE/Zを作り分ける

  1. 「ファイル → 新規」で、分類「骨格」の「エチレン」を置きます。
  2. 「メチル」でC1の水素を1つ置き換え、続けてC2の水素のうち、さっきの水素と二重結合をはさんで反対側の水素を置き換えます。「全体整形」で整えて確定します。

  3. 二重結合の2つの炭素（C1とC2）を選び、「立体を記録（R/S・E/Z）」を押します。二重結合の中央に「(E)」が出ます。

    2-ブテンのC1とC2を選んで立体を記録したところ。二重結合の中央に「(E)」が出ている

    図4 二重結合の2原子を選んで記録すると、結合の中央に(E)・(Z)が出ます。

  4. C1とC2を選んだまま「E/Zを切替」を押すと、二重結合の片側が180°回ってZ体になり、表示も「(Z)」に変わります。E体・Z体をそれぞれ別名で保存します。

    「E/Zを切替」のあとに記録し直したZ-2-ブテン。2つのメチル基が二重結合の同じ側にあり、中央に「(Z)」が出ている

    図5 「E/Zを切替」で片側が180°回り、Z体になります。

4. 計算して比べる

E体とZ体のそれぞれで、「2 計算条件」の計算目的を「最適化 → 振動数」、手法を「DFT」（B3LYP）、基底関数を「6-31G*」にして計算します。2つのジョブは「履歴」の「ΔEを比べる」で、同じ組成・手法・基底どうしのエネルギー差として並べて比べられます。

「履歴」でE-2-ブテンを基準に「ΔEを比べる」を押したところ。Z-2-ブテンの行にE体とのエネルギー差が出ている

図6 「履歴」の「ΔEを比べる」。基準のジョブ（E体）と、組成・手法・基底が同じジョブ（Z体）のエネルギー差が並びます。

R体とS体の乳酸は鏡像異性体なので、どの手法でもエネルギーは同じです（念のため一点計算で確かめるとよい練習になります）。

実行した結果

項目 E-2-ブテン Z-2-ブテン
計算のエネルギー −157.226911282 Eh −157.224773869 Eh
構造最適化 12ステップで収束 22ステップで収束
虚振動 なし なし
双極子モーメント 0.00 D（対称中心） 0.18 D
ゼロ点補正 68.05 kcal/mol 68.18 kcal/mol

Z体はE体より ΔE = +1.34 kcal/mol、298 Kのエンタルピーで ΔH = +1.47 kcal/mol、自由エネルギーで ΔG = +1.26 kcal/mol 不安定です（メチル基どうしの立体反発）。実験の生成エンタルピーの差は約1.0 kcal/molです。どちらも回転対称数は2なので、σの補正は差には効きません。

うまくいかないとき

関連: 「1 分子」の右側のページ（変形）、題材5 鎖状分子と配座。