Pythonで分子の形を立体的（３D）に見る（情報Ⅰプログラミング×化学③）

化学構造式は平面（2D）で描かれますが、実際の分子の形は立体的（3D）です。 同じ平面構造でも3Dの形が異なる場合があり、これを「異性体」と呼びます。 異性体は形が違うと性質も異なるため、分子を3Dでとらえることは重要です。

今回は、Pythonで、目には見えない分子の3D構造をパソコン上で動かしながら観察します。さらに分子の異性体についても見ていきます！

分子式は同じなのに構造が違うものを異性体と呼びます。
今回は、側鎖は同じで、構造が異なる立体異性体の中で、鏡像異性体について触れてみます。
鏡像異性体とは、鏡に映した左手と右手のような関係の構造のこと言います。

例えば、乳酸では、構造を平面構造で書く場合と立体構造で書く場合を示します。

※L体とD体の決定は、フィッシャー投影式の情報を参考にされてください。
このように、平面でとらえると同じでも、立体的に表示すると重ならない、異なる構造も存在することが分かります。

📢分子式は同じなのに立体構造が違うだけで、性質が違う例
・薬の例（サリドマイド）
サリドマイド（C₁₃H₁₀N₂O₄）は鎮静剤や、妊婦のつわりを軽減する薬として広く使用されていました。しかし、この薬を妊娠初期に服用した母親から生まれた多くの胎児に、手足が短くなるなどの深刻な奇形が生じる被害がありました。薬として販売されていたサリドマイドには、R体とS体という2種類の鏡像異性体が混ざっていました。後の研究で、望ましい鎮静作用を持つのはR体であり、一方で胎児に深刻な奇形を引き起こすのはS体であることが明らかになり、薬は販売中止となりました。このR体とS体は、体の中に入ると、お互いの形に簡単に変化し合う性質（ラセミ化）があることが分かってきてます。人間にとって安全かつ効果のあるR体だけを使用するのは難しい、というのが現状のようです。
※R体とS体の決定は、RS表記法の情報を参考にされてください。

・香りの例（リモネン）
柑橘系の香りの成分リモネン（C₁₀H₁₆）。これも鏡像異性体があり、一方（D体）はオレンジ 🍊 の香り、もう一方（L体）はレモン 🍋 の香りとして、私たちの鼻は認識し分けているのです！

立体構造をとらえて初めて分かる事実です。

# ライブラリのインストール
!pip install rdkit -q
!pip install py3Dmol -q
!pip install pubchempy -q

Step 2：SMILESから3D構造を生成する（スティックモデル）
次に、私たちの作業を簡単にする2つの関数をPythonに覚えさせます。
・get_smiles：物質名（例: ‘methane’）をPubChemで検索し、SMILESコードを取得する関数。
・show_3d：SMILESコードから3D構造を計算し、py3Dmolで表示する関数。

以下のセルを実行すると、コンピュータがこれら2つの命令を覚えた状態になります。（このセル自体は何も表示しません）

# ===== 必要なライブラリのインポート =====
from rdkit import Chem
from rdkit.Chem import AllChem
import py3Dmol
import pubchempy as pcp
from IPython.display import display, HTML

# ===== 関数1：PubChemからSMILESを取得する関数 =====
def get_smiles(chemical_name):
    print(f"PubChemで「{chemical_name}」を検索中...")
    try:
        # PubChemで名前を検索
        compounds = pcp.get_compounds(chemical_name, 'name')
        # ▼ チェック1：化合物が見つからなかったら、ここで終了
        if not compounds:
            print("エラー: 化合物が見つかりませんでした。")
            return None # Noneを返して関数を抜ける
        # ▼ チェック2：SMILESコードが空だったら、ここで終了
        smiles = compounds[0].smiles 
        if not smiles:
            print("エラー: SMILESコードが見つかりませんでした。")
            return None # Noneを返して関数を抜ける
        # ▼ すべてのチェックを通過したら、成功
        print(f"SMILESコードを取得しました: {smiles}")
        return smiles
    except Exception as e:
        print(f"検索中にエラーが発生しました: {e}")
        return None

# ===== 関数2：SMILESから3Dモデルを表示する関数 =====
def show_3d(smiles, style='stick'):
    if not smiles:
        print("SMILESコードが有効でないため、表示できません。")
        return

    try:
        # ===== SMILESから3D構造を生成 =====
        mol = Chem.MolFromSmiles(smiles)
        if mol is None:
            print(f"エラー: RDKitがSMILES「{smiles}」を認識できませんでした。")
            return
            
        mol = Chem.AddHs(mol) # 水素原子を付加
        AllChem.EmbedMolecule(mol) # 3D構造を生成
        AllChem.MMFFOptimizeMolecule(mol) # 構造を最適化
        
        mol_block = Chem.MolToMolBlock(mol)
        
        # ===== py3Dmolで3D表示 =====
        view = py3Dmol.view(width=500, height=400)
        view.addModel(mol_block, 'mol')
        
        # 表示スタイルを設定
        if style == 'stick':
            view.setStyle({'stick':{}})
        elif style == 'sphere':
            # 原子を球（sphere）で、結合を棒（stick）で表示
            view.setStyle({'stick':{'radius': 0.1}, 'sphere':{'scale': 0.3}})
        
        view.zoomTo()
        view.show() # Colab上に表示
        
    except Exception as e:
        print(f"3Dモデルの生成中にエラーが発生しました: {e}")


print("関数の定義が完了しました。次のセルから3Dモデルを作成できます。")

Step 3：最初の3Dモデル！「メタン」を名前で表示しよう
早速、一番シンプルなメタン（CH₄）の形を見てみましょう。
さきほど準備したget_smiles関数とshow_3d関数を組み合わせて使います。

# 1. 'methane' という名前でSMILESコードを取得
smiles_methane = get_smiles('methane')

# 2. 取得したSMILESを使って3D表示
if smiles_methane:
    show_3d(smiles_methane)

## 出力結果
PubChemで「methane」を検索中... 
SMILESコードを取得しました: C

セルの下に3Dモデルが表示され、マウスでぐりぐり動かせるはずです！  炭素原子を中心に、4つの水素原子が正四面体の頂点方向に伸びています。

Step 4：表示スタイルを変えてみよう（球棒モデル）
show_3d関数は、表示スタイルを変えられます。原子を球で表す球棒（きゅうぼう）モデルで表示してみます。

## 2番目の引数でスタイルを 'sphere' に指定
if smiles_methane:
    show_3d(smiles_methane, style='sphere')

# ブタン（直鎖状）
smiles_butane = get_smiles('butane')
if smiles_butane:
    print("--- ブタン (n-Butane) ---")
    show_3d(smiles_butane, style='sphere')

# イソブタン（分岐状）
smiles_isobutane = get_smiles('isobutane')
if smiles_isobutane:
    print("--- イソブタン (Isobutane) ---")
    show_3d(smiles_isobutane, style='sphere')

PubChemで「butane」を検索中... 
SMILESコードを取得しました: CCCC 
--- ブタン (n-Butane) ---

PubChemで「isobutane」を検索中... 
SMILESコードを取得しました: CC(C)C 
--- イソブタン (Isobutane) ---

# D-リモネン (オレンジの香り)
smiles_d_limonene = get_smiles('D-limonene')
if smiles_d_limonene:
    print("--- D-リモネン (オレンジの香り) ---")
    show_3d(smiles_d_limonene)
# L-リモネン (レモンの香り)
smiles_l_limonene = get_smiles('L-limonene')
if smiles_l_limonene:
    print("--- L-リモネン (レモンの香り) ---")
    show_3d(smiles_l_limonene)

# 出力
PubChemで「D-limonene」を検索中...
SMILESコードを取得しました: CC1=CC[C@@H](CC1)C(=C)C
--- D-リモネン (オレンジの香り) ---
PubChemで「L-limonene」を検索中...
SMILESコードを取得しました: CC1=CC[C@H](CC1)C(=C)C
--- L-リモネン (レモンの香り) ---