vol.115 In silico chromatography

■In silico chromatographyとは計算機を使ってコントロールするクロマトグラフィーでもクロマトグラフィーの結果を処理する意味でもない。過去に記録計からインテグレーターに変えた時に，保持時間だけでなくピークの高さや面積も打ち出してくれた時の喜びとは異なり，実験者が計算機と対話しながら化学を考えるクロマトグラフィーと捉えることができる。つまり，単に統計処理をするのではなく，データ集の中から読みだしてくれるシステムでもなく，化合物の特性を計算して教えてくれるシステムである。化学を考える（計算する）計算化学は有機化学の授業では早くから取り入れられ，2分子が近づくと電子の移動が起こり，2つの異なる分子として離れる動画も作られている。つまり，化学実験の可視化に使われるのが計算化学であり，定性的に想像していた化学現象を可視化して理解し易くするだけでなく，結果を数値の違いとして打ち出してくれるので，現象面を定量的に理解することを助けてくれる。分析化学において指示薬の色の変化を指示薬の構造変化とpHを変えて測定したスペクトルを比較して教えることが，化学現象を可視化した説明の最初と考えられるが，液体クロマトグラフィーの初期には植物からの抽出物が充塡ガラスカラムを通すと分離した異なる色の層として観察されたことから色グラフと称した。但し，色の化学構造との対比はされていない。

■クロマトグラフィーのカラム内における相互作用を化学構造から可能性で定性的に説明してきたが，説明に使われている相互作用の寄与程度を説明していない。近年，話題となった親水性相互作用によるクロマトグラフィーの説明がすっきりしないのも基本的な現象を定量的にとらえていないので，それぞれの寄与の程度が解らないことによる。親水性相互作用液体クロマトグラフィーの現象は高速液体クロマトグラフィーの初期から報告されていて，逆相分配液体クロマトグラフィーと称されていた実験で，有機溶媒濃度を濃くしていくと，短くなってきた保持時間が長くなりだす現象を，＜多分，水素結合によるのではないか？＞と推論しても，溶離液に水を含むので，＜あり得ないのでは？＞と話題にしていた。この現象の明確な説明は，計算化学を使って，モデル分子間の相互作用を調べると定量的にできる

■次に，水溶液中ではカルボン酸は解離定数からpHが3.5以下で分子型，pH 5.0以上ではイオン型，アミンはpHが9.5以下ではイオン型で存在することを踏まえて，これら分子間の水溶液中での挙動を2分子の一方は充塡剤の保持基，もう一方を溶質分子と見なして考える。例えば，図1において，構造A（赤：酸素，青：窒素，黄色：炭素，白色：水素）に示すように，イオン化したカルボン酸とアミンのイオン同士を7 Åの距離で向かい合わせて構造最適化すると構造Bのようにイオン同士が接する。表1のA→Bの分子間相互作用エネルギー値から，構造Aの2分子が独立した状態から接した構造Bになると，静電気（ES）相互作用エネルギー値7.149 kcal·mol^-1が生じ，水素結合（HB）及び疎水性相互作用の指標であるファンデルワールス（VW）エネルギー値はそれぞれ0.000と0.260 kcal·mol^-1であることから，これら2分子はES相互作用，つまり，イオンーイオン相互作用で接していることが解る。イオン化したカルボン酸とアルコールを6 Åの距離に近づけて（構造C），構造最適化（構造D）するとC→Dの分子間相互作用エネルギー値からES相互作用（2.849 kcal·mol^-1）で接することが解る。分子型のカルボン酸とイオン化したアミン（構造E）は構造FのようにES相互作用（2.411 kcal·mol^-1）で接するが，分子型アミンとイオン化したカルボン酸のアルキル基同士を3 Åの距離に近づけて構造最適化すると，弱いVWで接することが解る（0.635 kcal·mol^-1）。強いイオンーイオン相互作用の場合と違って，VWのように相互作用が弱い場合には2分子を近づける必要がある。

図1　簡便な分子間相互作用モデル

表1　分子固有相互作用によるエネルギー値の変化

参考文献

• 1） http://www.hanai-toshihiko.net
• 2） T.Hanai, Quantitative In Silico Chromatography: Computational Modelling of Molecular Interactions, Royal Society of Chemistry (2014)