2025

科目分類 / Subject Categories
学部等 / Faculty	大学院工芸科学研究科（博士前期課程） / Graduate School of Science and Technology (Master's Programs)	今年度開講 / Availability	有 / Available
学域等 / Field	物質・材料科学域 / Academic Field of Materials Science	年次 / Year	１～２年次 / 1st through 2nd Year
課程等 / Program	機能物質化学専攻 / Master's Program of Functional Chemistry	学期 / Semester	秋学期 / Fall term
分類 / Category	授業科目 / Courses	曜日時限 / Day & Period	水3 / Wed 3rd

科目情報 / Course Information
時間割番号 / Timetable Number	61913301
科目番号 / Course Number	61960002
単位数 / Credits	2
授業形態 / Course Type	講義 / Lecture
授業科目名 / Course Title	分子構造化学 / Molecular Structural Chemistry
担当教員名 Instructor(s)	金折　賢二、三宅　祐輔
	KANAORI Kenji、MIYAKE Yusuke
その他 / Other	インターンシップ実施科目 Internship	国際科学技術コース提供科目 IGP	PBL実施科目 Project Based Learning	実務経験のある教員による科目 Practical Teacher
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	DX活用科目 ICT Usage in Learning	-	-	-
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科目ナンバリング / Numbering Code	-

授業の目的・概要 Objectives and Outline of the Course
量子化学を基盤として、分光学の原理、装置、スペクトルの解析方法を身につけ、分光学と分子構造との関係について深い洞察力をえることが授業の目的である。代表的な分光法である紫外可視分光および蛍光分光法、赤外分光法、磁気共鳴分光法に加え、質量分析と幅広くかつ詳細に講義し、演習する。どの研究分野においても大学院の研究において、これらの機器分析に関する知識は必要不可欠である。授業の１－５回目までは、学部の物理化学Ⅱの授業内容を復習し、毎回の小テストを解くことで理解を深める。６－９回目の授業では、電子遷移、振動遷移、磁気共鳴について、選択律、ボルツマン分布、スピンといった項目を理解しながら、それらが有機化合物の電子状態、構造解析にどのように利用されているかを学ぶ。１０－１５回目には二次元の核磁気共鳴スペクトルの原理とスペクトル解析、質量分析について学ぶ。後半部分の授業内容は学部の有機機器分析の内容を深化させたものである。
Based on quantum chemistry, the purpose of the class is to acquire the principles of spectroscopy, equipment, and methods for analyzing spectra, and to gain deep insight into the relationship between spectroscopy and molecular structure. We will give a wide and detailed lecture and practice on UV-visible spectroscopy, fluorescence spectroscopy, infrared spectroscopy, and magnetic resonance spectroscopy,and on mass spectrometry. Knowledge of these instrumental analyses is essential for graduate research in any field of study. Until the 1st to 5th lessons, we review the contents of the undergraduate "Physical Chemistry II" lesson and deepen your understanding by solving each quiz. In the 6th-9th class, while understanding items such as selection rule, Boltzmann distribution, and spin regarding electronic transition, vibration transition, and magnetic resonance, how they are used for electronic state and structural analysis of organic compounds. In the 10th to 15th sessions, we will learn the principle of two-dimensional nuclear magnetic resonance spectra and mass spectrometry, whose contents are related to those of the undergraduate "Spectrometric Identification of Organic Compounds" lesson.

学習の到達目標 Learning Objectives
1．量子論に基づき、原子構造やスペクトルを考えることができる。
1．Able to consider the atomic structures and spectra based on the quantum theory.

授業計画項目 / Course Plan
No.	項目 Topics	内容 Content	オンライン授業 online class
1.	量子力学の一般概念	古典力学、前期量子論を踏まえて、ド・ブロイの物質波の流れを概観して波動と粒子の二重性を説明し、その後の電子スピンの発見とパウリの排他原理の意義を解説する。ハイゼンベルグの行列力学とシュレーディンガーの波動力学の誕生の経緯および波動関数の確率解釈、不確定性原理、ディラック方程式までの流れを理解する。
	General concepts of quantum mechanics	Based on classical mechanics and early quantum theory, we will explain the flow of matter waves of De Broglie and explain the duality of waves and particles, and then discover the electron spin and explain the significance of Pauli's exclusion principle. Understand the history of Heisenberg's matrix dynamics and the birth of Schrodinger's wave dynamics, the stochastic interpretation of wave functions, the uncertainty principle, and the flow up to the Dirac equation.
2.	シュレディンガーの波動方程式	シュレーディンガー方程式の構成および波動関数の要件について説明して、変数分離法、規格化、エルミート演算子と波動関数の直交を解説する。シュレーディンガー方程式に用いられる近似について説明する。授業の後半では、自由粒子の運動、有限の矩形ポテンシャルにおける粒子の運動（トンネル効果）、 井戸型ポテンシャル内の粒子の運動について解説する。
	Schrodinger's wave equation	Explains the construction of the Schrodinger equation and the requirements of the wavefunction, and explains the variable separation method, normalization, and the orthogonality between the Elmeat operator and the wavefunction. The approximation used for the Schrodinger equation will be described. In the latter half of the class, we will explain the motion of free particles, the motion of particles in a finite rectangular potential (tunnel effect), and the motion of particles in a well-shaped potential.
3.	調和振動子と水素原子の波動関数	ポテンシャルが存在する条件でのシュレーディンガー方程式として、調和振動子と水素原子のシュレーディンガー方程式を学ぶ。シュレーディンガー方程式の極座標表示を学び、そこから現れてくる球面調和関数と動径波動関数の関係を式の変形をとおして学ぶ。水素類似原子のシュレーディンガー方程式から水素類似原子の動径波動関数と動径分布関数の性質を学び、水素型原子の構造とエネルギーの関係を学ぶ。変数分離によって動径波動関数を導出し、s,p,d,fオービタルの形状とエネルギー準位を学ぶ。動径分布関数の形状から電子密度の概念を取得する。
	Wave functions of harmonic oscillator and hydrogen atom	Learn the Schrodinger equation of a harmonic oscillator and a hydrogen atom as a Schrodinger equation with potential energy. Learn the polar coordinate display of the Schrodinger equation, and the relationship between the spherical harmonics and the radial wavefunctions that appear from it through transformation of the equation. Learn the properties of the radial wave function and radial distribution function of hydrogen-like atoms from the Schrodinger equation of hydrogen-like atoms, and learn the relationship between the structure and energy of hydrogen-type atoms. The radial wave function is derived by separation of variables, and the shape and energy level of s, p, d, f orbital are learned. Obtain the concept of electron density from the shape of the radial distribution function.
4.	軌道角運動量とスピン角運動量の合成と水素原子の微細構造	角運動量と磁気的性質について、角運動量と磁気モーメント、角運動量の合成と水素原子の輝線スペクトルの微細構造の解析を説明する。多電子原子の軌道エネルギー計算方法を簡単に説明する。多電子原子の電子状態を理解するために、軌道角運動量とスピン角運動量の合成から全角運動量量子数を求め、多電子原子の項について説明する。パウリの原理、フント則を使用して構成原理を説明し、多電子原子の電子配置と基底状態の項の表記について理解する。
	Orbital and spin angular momenta and fine structure of hydrogen atom	Regarding the angular momentum and magnetic properties, the synthesis of the angular momentum and the magnetic moment, the angular momentum, and the analysis of the fine structure of the emission line spectrum of the hydrogen atom will be described. The method of calculating the orbital energy of a multi-electron atom will be briefly explained. In order to understand the electronic state of a multi-electron atom, the total angular momentum quantum number is obtained from the synthesis of the orbital angular momentum and the spin angular momentum, and the term of the multi-electron atom will be described. Explain the construction principle using Pauli exclusion principle and Hund's rule, and understand the electron configuration of multi-electron atoms and the notation of the ground state term.
5.	分子軌道	量子化学の有機化学への応用について、混成軌道、原子価殻電子対反発則（VSEPR則）を簡単に説明した後、エテン、ブタジエン、ベンゼン、ナフタレンを例にとってヒュッケル近似を説明する。π電子が関与する波動関数、電子密度、エネルギー準位について理解して、HOMO、LUMOの概念をつかむ。次の講義の電子遷移についての基本理解を深める。
	Molecular orbital method	Regarding the application of quantum chemistry to organic chemistry, the hybrid orbital and the valence shell electron counter-repulsion law (VSEPR law) will be briefly explained, and then the Hückel approximation will be explained using ethene, butadiene, benzene, and naphthalene as examples. Understand the wave functions, electron densities, and energy levels in which π electrons are involved, and grasp the concepts of HOMO and LUMO. Deepen the basic understanding of electronic transitions in the next lecture.
6.	選択律と群論	スペクトル遷移と選択律について解説する。原子の電子構造および磁気モーメント、複雑な原子のエネルギー準位と微細構造を理解し、群論の初歩を紹介する。水素原子のグロトリアン図、Na原子のゼーマン効果によるスペクトル線の分裂、ブタジエンの電子遷移を例にとって説明する。
	Selection rule and group theory	We will explain the spectral transition and the selection rule. Understand the electronic structure and magnetic moment of an atom, the energy level and fine structure of a complex atom, and introduce the basics of group theory. The Grotrian diagram of a hydrogen atom, the splitting of spectral lines due to the Zeeman effect of a Na atom, and the electron transition of butadiene will be described as examples.
7.	分子分光学１：電子遷移スペクトルと純回転スペクトル	分子の電子吸収スペクトルとFranck-Condon原理、単結合のみをもつ分子の電子スペクトル、二重結合、三重結合をもつ分子、光電子分光法について概説する。分子の回転エネルギー準位と回転スペクトル、振動エネルギーの量子化をボルツマン分布とともに学ぶ。
	Molecular spectroscopy 1: Electronic transition spectrum and pure rotation spectrum	The electron absorption spectrum and Franck-Condon principle of a molecule, the electron spectrum of a molecule having only a single bond, the molecule having a double bond and a triple bond, and photoelectron spectroscopy are outlined. Learn the rotational energy level and rotational spectrum of molecules and the quantization of vibrational energy together with the Boltzmann distribution.
8.	分子分光学２：赤外・ラマンスペクトル	二原子分子の赤外線吸収スペクトル、多原子分子の基準振動、単原子分子の赤外吸収スペクトルとラマンスペクトル、特性振動、回転異性体について概説する。
	Molecular spectroscopy 2: Vibrational and rotational spectra	Infrared absorption spectra of diatomic molecules, normal mode analysis of the vibrations of polyatomic molecules, and characteristic vibrations in vibration infrared absorption spectra are outlined. The principle and application of the Raman spectrum will also be explained.
9.	分子分光学３：磁気共鳴スペクトル	電子スピンと核スピンのゼーマン効果から磁気共鳴の原理について説明する。電子スピン共鳴（ESR)および核磁気共鳴（NMR)について基本的なパラメーターを紹介して、スペクトル解析の基礎を説明する。
	Molecular spectroscopy 3: Magnetic resonance spectroscopy	The principle of magnetic resonance will be explained from the Zeeman effect of electron spin and nuclear spin. The basic parameters of electron spin resonance (ESR) and nuclear magnetic resonance (NMR) are introduced to explain the basics of spectral analysis.
10.	1H NMR分光法	化学シフト、積分値、Jカップリングの理解を深め、アミノ酸およびヌクレオシドの構造式を見ながら、1H-NMRスペクトルの同定を練習する。分子式から不飽和度や環状構造の個数を決める不足水素指標、脂肪族および芳香族有機化合物の1H-NMRスペクトルの解析のコツを学ぶ。
	Analysis of 1H NMR spectroscopy	Deepen your understanding of chemical shifts, integrals, and J-coupling, and practice identifying 1H-NMR spectra while looking at the structural formulas of amino acids and nucleosides. Learn the deficiency hydrogen index that determines the degree of unsaturation and the number of cyclic structures from the molecular formula, and the tips and tricks for analyzing 1H-NMR spectra of aliphatic and aromatic organic compounds.
11.	多核NMR分光法	有機化合物の構造同定に必須である炭素を観測する13C-NMRについて解説する。13C－NMRの理解に必要となるプロトン―デカップリング、核オーバーハウザー効果、緩和時間などの意味を理解する。炭素の級を区別するDEPT法を理解する。13C以外の多核NMR測定（19F,29Si,31P）についても簡単に解説する。
	Multinuclear NMR spectroscopy	We will explain 13C-NMR, which observes carbon, which is essential for structural identification of organic compounds. Understand the meanings of proton-decoupling, nuclear Overhauser effect, relaxation time, etc., which are necessary for understanding 13C-NMR. Understand the DEPT method of distinguishing carbon classes. Multinuclear NMR measurements (19F, 29Si, 31P) other than 13C will also be briefly explained.
12.	有機化合物の1Hおよび13C NMRによる同定	演習問題を通して官能基のケミカルシフト値、積分値、Ｊ-カップリングパターンから有機化合物の同定を演習する。NMRスペクトルをどのように同定したかを受講者がプレゼンする。
	Identification of organic compounds by 1H and 13C NMR	The participants should present how to identify the compounds of A-W whose molecular formula and 1H NMR spetrum in CDCl3 were given in the previous homework. Through exercises, we will practice the identification of organic compounds from the chemical shift value, integral value, and J-coupling pattern of functional groups. Present how to identify the compounds of A-W whose molecular formula and 1H NMR spetrum in CDCl3 were given in the previous homework. You can check your assignment by put CAS-RN in the "CAS RN for the A-W compounds".
13.	二次元NMR	二次元NMR法について解説する。同核種相関2D-NMR （COSY、TOCSY）および異核相関2D-NMR (HMQC、HMBC）による有機化合物のシグナル同定の仕方を演習する。核オーバーハウザー効（NOE））を説明してペプチドの連鎖帰属法について解説する。
	Two-dimensional NMR spectroscopy	The two-dimensional NMR methods will be explained. We will practice how to identify signals of organic compounds by homonuclear correlation 2D-NMR (COSY, TOCSY) and heteronyclear correlation 2D-NMR (HMQC, HMBC). The nuclear overhauser effect (NOE)) will be explained and the chain attribution method of peptides will be explained.
14.	質量分析	質量分析計の原理、イオン化法と質量分離装置の種類について説明する。窒素ルールと同位体ピークについて学ぶ。
	Mass spectrometry	The principle of mass spectrometer, ionization method and types of mass separator will be explained. Learn about nitrogen rules and isotope peaks.
15.	まとめ	授業の振り返りと質問事項に対するディスカッション
	Review	Review of class and discussion on questions

授業時間外学習（予習・復習等） Required study time, Preparation and review
次回に実施される小テストのための復習や、レポート作成に毎回３時間程度は必要である。 本学では1単位当たりの学修時間を45時間としています。毎回の授業にあわせて事前学修・事後学修を行ってください。
It takes about three hours each time to review for the next quiz and write reports. Please note that KIT requires 45 hours of study from students to award one credit, including both in-class instructions as well as study outside classes. Students are required to prepare for each class and complete the review after each class.

教科書／参考書 Textbooks/Reference Books
（教科書）「量子化学」講談社　78-4-06-513330-9 （参考書）「アトキンス物理化学（上下）」東京化学同人　978-4-8079-0908-7 （参考書）「有機化合物のスペクトルによる同定法(第8版)」（Silverstein, Webster 著、東京化学同人）
(Reference book) 「Atkins' Physical Chemistry」 Peter Atkins, Julio De Paula (Reference book)「Spectrometric identification of organic compounds」Robert M. Silverstein, Francis X. Webster, David Kiemle

成績評価の方法及び基準 Grading Policy
授業中に実施する小テスト（60%）、講義内容に関連する課題に対するレポート(30%)、発表（10%)から評価し、６０点以上を合格とする。
Grades will be assessed based on quizzes given during class (60%), reports on assignments related to the lecture content (30%), and presentations (10%). A score of 60 or above is considered a pass.

留意事項等 Point to consider
授業は講義室で対面で英語で実施し、授業資料、講義、小テストなど全て英語のみである。 授業の指示や、資料や小テストはmoodleを使用する。授業ファイルはｐｄｆでmoodleにアップしてあり、ほぼすべての授業において、受講生はmoodleにある小テストを授業時間内に受験する必要があるため、PCもしくはスマートフォンを持参する必要がある。 レポート課題が課されてるが、提出課題については、日本語で記述してもよい。 １２回目の授業では、受講者は英語で発表する必要がある。
Classes are held face-to-face in lecture halls in English, with all class materials, lectures, quizzes, etc. in English. Moodle is used for class instructions, class materials, and quizzes. Class files are uploaded to Moodle in PDF format, and in almost all classes, students are required to take quizzes on Moodle during class time, so students are required to bring a PC or smartphone with them. Students are assigned to write reports, but may write them in Japanese. In the 12th class, students are required to make a presentation in English.