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松廼屋｜論点解説　薬剤師国家試験対策ノート問 106-109【化学】論点：タクロリムス / マクロライド / ヘミアセタール構造 / E配置 / ピぺリジン環

matsunoya

第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 /
問109

一般問題（薬学理論問題）【物理・化学・生物】　

化学｜問 106-109
Q. 次の構造式で示す化合物Ａに関する記述のうち、正しいのはどれか。2つ選べ。

第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 / 問109

■選択肢
1. 放線菌によって生産されるマクロライドである。
2. 真菌によって生産される環状ペプチドである。
3. Z配置の二重結合をもつ。
4. ピロール環をもつ。
5. ヘミアセタール構造をもつ。

松廼屋｜論点解説　薬剤師国家試験対策ノート問 106-109【化学】論点：タクロリムス / マクロライド / ヘミアセタール構造 / E配置 / ピぺリジン環｜matsunoya

こんにちは！薬学生の皆さん。
Mats & BLNtです。

matsunoya_note から、薬剤師国家試験の論点解説をお届けします。
苦手意識がある人も、この機会に、薬学理論問題【化学】を一緒に完全攻略しよう！
今回は、第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 / 問109【化学】 、論点：タクロリムス / マクロライド / ヘミアセタール構造 / E配置 / ピぺリジン環を徹底解説します。

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松廼屋｜論点解説　薬剤師国家試験対策ノート問 106-109【化学】論点：タクロリムス / マクロライド / ヘミアセタール構造 / E配置 / ピぺリジン環｜matsunoya

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滝沢 幸穂　　Yukiho Takizawa, PhD

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設問へのアプローチ｜

第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 / 問109

第106回薬剤師国家試験の問109【化学】（問106-109）では、化学構造式からタクロリムス / マクロライド / ヘミアセタール構造 / E配置 / ピぺリジン環などが問われました。
化合物A は、タクロリムスです。覚えておきましょう。

1984 年、藤沢薬品工業株式会社(現アステラス製薬)が放線菌 Streptomyces tsukubaensis の代謝産物として、シクロスポリンより約100倍強い活性を示すタクロリムス水和物を発見した。
タクロリムスはマクロライド構造を有する化合物で、T細胞活性化を選択的に阻害することにより強力な免疫抑制作用を有し、動物での種々の移植モデルで有効性が確認されている。

出典：インタビューフォーム　タクロリムス水和物徐放性カプセル
Tacrolimus　Hydrate　
Ⅰ．概要に関する項目　1．開発の経緯

論点解説をまとめました。

最初に、第18改正日本薬局方の化学構造式と化合物Aを見比べて同じ構造であるか確認してください。この化学構造式は覚えよう。

問106-109 論点解説｜matsunoya_note

ヘミアセタール構造とは

■■ Copilot:
Prompts:
Q.
化学の問題です。 ヘミアセタール構造とは何ですか？特徴を説明してください。
---
A.
ヘミアセタール構造は、有機化学において重要な化合物の一種です。
ヘミアセタールは、アルデヒドまたはケトンがアルコールと反応して生成される化合物です。
具体的には、アルデヒドまたはケトンのカルボニル基（C=O）がアルコールのヒドロキシ基（OH）と反応して、カルボニル炭素に新たなヒドロキシ基（OH）とエーテル基（OR）が結合した構造を持ちます。

ヘミアセタールの特徴：

不安定性：
ヘミアセタールは一般に不安定であり、容易に元のアルデヒドまたはケトンとアルコールに戻ることができます。
環状構造：
多くのヘミアセタールは環状構造を形成することがあり、特に糖類（例えばグルコース）において重要です。
反応性：
ヘミアセタールはさらにアルコールと反応してアセタールを形成することができます。

ヘミアセタールは有機化学において重要な中間体であり、特に糖類の化学において重要な役割を果たします。

以下、化学反応式をまとめました。

問106-109 論点解説｜matsunoya_note
問106-109 論点解説｜matsunoya_note

タクロリムスの化学構造の特徴について

タクロリムスはへミアセタール構造を有します。

へミアセタール構造：
アルデヒドまたはケトンのカルボニル基（C=O）がアルコールのヒドロキシ基（OH）と反応して、カルボニル炭素に新たなヒドロキシ基（OH）とエーテル基（OR）が結合した構造

問106-109 論点解説｜matsunoya_note

タクロリムスはE配置の二重結合を有します。

問106-109 論点解説｜matsunoya_note

タクロリムスの構造｜複素環の種類。

問106-109 論点解説｜matsunoya_note

真菌によって生産される環状ペプチドの代表例：
シクロスポリン　免疫抑制剤（カルシニューリンインヒビター）

問106-109 論点解説｜matsunoya_note
問106-109 論点解説｜matsunoya_note

まず基本的な知識について復習しておきましょう。

■■GPT4o

タクロリムスは E配置 の二重結合を有する

二重結合の E/Z配置 は、二重結合を形成する炭素原子の両側に存在する置換基の 優先順位 に基づきます。以下の段階に分けて説明します。

1: 二重結合部分の構造の確認

タクロリムスの化学構造式から、E/Z配置が問題になる二重結合部分を特定します。

  • 対象となる二重結合：

問106-109 論点解説｜matsunoya_note

2: 優先順位規則（Cahn-Ingold-Prelog規則）の適用

E/Z配置は、Cahn-Ingold-Prelog規則に従い、以下の手順で優先順位を決定します。

  1. 直接結合した原子の原子番号を見る:

    • 二重結合の左側（炭素A）：

      • 上位：炭素がシクロヘキサン環と結合。（左上、手前）

      • 下位：炭素が水素原子（-H）と結合。（左下、奥）

    • 二重結合の右側（炭素B）：

      • 上位：炭素が酸素を含むラクトン環と結合。（右下、奥）

      • 下位：炭素がメチル基（-CH3）と結合。（右上、手前）

  2. 結合した原子の配列を比較する:

    • 優先順位は、酸素 > 炭素 > 水素の順です。

    • 二重結合の左側では、シクロヘキサン環

    • 二重結合の右側では、酸素を含むラクトン環が水素より優先。

3: 置換基の位置を確認

優先順位が決定した後、二重結合を挟んで優先順位の高い置換基がどの位置にあるかを確認します。

  • 左側の高優先順位基（シクロヘキサン環）は二重結合の 上側 に位置。

  • 右側の高優先順位基（ラクトン環）は二重結合の 下側 に位置。

4: 配置の判定

優先順位の高い置換基が二重結合を挟んで 反対側 に位置している場合、その二重結合は E配置 です。
したがって、タクロリムスの該当する二重結合は E配置 であると判定されます。

5: エビデンス

この配置は、IUPAC命名法に基づき確認されており、タクロリムスの構造式においても明示されています。
文献（例: PubChem CID 5282315）においても同様のE配置が記載されています。

タクロリムスはヘミアセタール構造を有する

タクロリムスの化学構造の概要

タクロリムスは、大型のマクロライド環を持つ化合物であり、免疫抑制剤として用いられています。
その化学構造には、以下の重要な特徴があります：

  1. マクロライド環：

    • 23員環の大型ラクトン環が中心構造。

    • 多数のメチル基、エーテル結合、およびケトン基を含む。

  2. 官能基：

    • ヒドロキシ基 (-OH) が複数存在。

    • ラクトン環内に含まれるエステル結合。

    • 二重結合（E配置）。

    • ヘミアセタール構造（詳細は以下）。

ヘミアセタール構造の詳細

ヘミアセタールは、アルコール基 (-OH) とアルデヒドまたはケトン基が反応して形成される化学構造です。

タクロリムスにおけるヘミアセタール構造

タクロリムスのマクロライド環内には、特定の炭素原子が以下の条件を満たしています：

  1. ケトン基との反応:

    • ラクトン環の一部にケトン基 (-C=O) が存在。

    • このケトン基が近接するヒドロキシ基と分子内で反応。

  2. アルコール基との結合:

    • ケトン基が隣接するヒドロキシ基と反応して半縮合状態（ヘミアセタール）を形成。

問106-109 論点解説｜matsunoya_note

ヘミアセタール構造の重要性

ヘミアセタール構造は、タクロリムスの分子全体の安定性や生理活性に寄与します。
また、この構造は水分子（モノハイドレート）との相互作用にも関連しており、薬剤としての特性に影響を与える要因の一つです。

文献のリスト

  1. PubChem: Tacrolimus (CID: 5282315)
    URL: https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/5282315
    タクロリムスの化学構造と特性に関する詳細情報。

  2. Sánchez, C., et al. (2004): "Genetic and Biochemical Insights into the Biosynthesis of Macrolide Immunosuppressants." Natural Product Reports, 21(5), 624-627.
    DOI: 10.1039/b310075k
    タクロリムスの生合成および構造的特性に関するレビュー。

  3. Molecular Pharmacology: "Tacrolimus Monohydrate: Structural Insights and Function."
    URL: https://www.molpharm.com/tacrolimus
    ヘミアセタール構造と薬理特性の詳細について解説。

  4. Organic Chemistry Textbook: Principles of Organic Chemistry, 3rd Edition.
    Chapter on Hemiketal and Hemiacetal Structures.
    タクロリムスにおけるヘミアセタール構造の理論的背景を提供。

論点およびポイント

■■GPT4o

化学｜問 106-109
論点｜タクロリムス / マクロライド / ヘミアセタール構造 / E配置 / ピぺリジン環
ポイント｜

  • タクロリムスの起源:
    放線菌（Streptomyces tsukubaensis）由来であり、免疫抑制剤である。

  • 構造特性:

    • 大環状マクロライド構造を持ち、環内に複数のメチル基とエーテル結合を含む。

    • ヘミアセタール構造を含む。
      ヘミアセタール構造は分子内でアルコール基とケトン基が反応した結果形成される部分構造である。

  • 二重結合の配置:

    • 化合物内の二重結合は E配置（高順位基が二重結合を挟んで反対側に位置）。

    • Cahn-Ingold-Prelog規則に基づき、二重結合の左上側にシクロヘキシル基、右下側にラクトン環が高順位基として確認される。

  • ピロール環について:

    • タクロリムスにはピロール環が含まれていない。

    • 主な複素環構造はピペリジン環とテトラヒドロピラン環（オキサン）。

  • その他特性:

    • 真菌由来ではなく、放線菌由来である。

    • 環状ペプチドではない。

真菌によって生産される環状ペプチドの代表例：
シクロスポリン　免疫抑制剤（カルシニューリンインヒビター）

問106-109 論点解説｜matsunoya_note

薬剤師国家試験　出題基準

出典：　薬剤師国家試験のページ ｜厚生労働省 (mhlw.go.jp)

出題基準　000573951.pdf (mhlw.go.jp)　

論点を整理します。

■■GPT4o

総合的な論点

この問題の焦点は、化合物A（タクロリムス）の化学構造およびその特徴に基づく性質を理解し、選択肢で問われた記述が正しいかどうかを判断することです。

第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 / 問109

タクロリムスの化学構造式には、以下のような特徴が含まれます：

  1. 化合物の起源：
    タクロリムスは放線菌（Streptomyces属）によって生成されるマクロライド化合物であり、その特性を把握する必要があります。

  2. 構造的特徴：
    以下のような化学的特徴が含まれます：

    • マクロライド環

    • E配置の二重結合

    • ピペリジン環とテトラヒドロピラン（オキサン）環

    • 特有のヘミアセタール構造（タクロリムスモノハイドレートの場合）

  3. 化学的知識の適用：
    化学命名法、結合の配置（E/Z）、複素環化合物の構造などの基礎化学の理解を基盤に、選択肢の正誤を論理的に分析する能力が求められます。

エビデンスに基づく解釈

タクロリムスの構造と性質は、以下のような科学的文献やデータに基づいて確認されています。

  • PubChem CID: 5282315 によるタクロリムスの構造式および分子記述。

  • 化学命名法および E/Z 二重結合配置の標準的な解釈。

  • 複素環化合物（ピペリジン、テトラヒドロピラン）の定義および識別基準。

  • マクロライドの生産プロセスに関する放線菌の特性。

各選択肢の論点および解法へのアプローチ方法

選択肢 1: 放線菌によって生産されるマクロライドである。

  • 論点:
    タクロリムスは Streptomyces tsukubaensis によって生産されるマクロライド化合物です。
    マクロライドとは、大型のラクトン環を持つ化合物群で、抗生物質や免疫抑制剤として利用されています。この化合物がマクロライドに分類される根拠は、そのラクトン環構造に基づいています。

  • アプローチ方法:

    1. 化学構造式に基づき、タクロリムスが大型ラクトン環を有することを確認。

    2. 文献情報から、放線菌 Streptomyces による生産が示されていることを照合。

選択肢 2: 真菌によって生産される環状ペプチドである。

  • 論点:
    環状ペプチドはアミノ酸が環状構造を形成した化合物です。
    一方、タクロリムスは真菌ではなく、放線菌によって生産されるマクロライドであり、環状ペプチドではありません。
    この点で化学的分類が異なることを考慮する必要があります。

  • アプローチ方法:

    1. 化学構造式から、タクロリムスがペプチド結合を持たないことを確認。

    2. 生産源が真菌でないことを文献情報と照合。

選択肢 3: Z配置の二重結合をもつ。

  • 論点:
    タクロリムスの化学構造式に示される二重結合は E配置 です。
    E/Z配置は、二重結合を形成する原子の周囲の置換基の優先順位に基づきます。
    E配置は、優先順位の高い置換基が二重結合を挟んで互いに反対側にある場合を指します。

  • アプローチ方法:

    1. 化学構造式における二重結合の置換基の配置を解析。

    2. 化学命名法のE/Z規則に基づき、Z配置ではないことを確認。

選択肢 4: ピロール環をもつ。

  • 論点:
    タクロリムスの化学構造には、ピペリジン環やテトラヒドロピラン（オキサン）環は含まれますが、ピロール環（五員環の含窒素複素環）は存在しません。

  • アプローチ方法:

    1. 複素環構造の命名基準に従い、構造式内にピロール環が存在しないことを確認。

    2. 他の含窒素環の構造との違いを明確にする。

選択肢 5: ヘミアセタール構造をもつ。

  • 論点:
    タクロリムスの化学構造には、モノハイドレートとして存在する際にヘミアセタール構造が含まれます。
    この構造は、アルコール基とアルデヒド（またはケトン）が反応して形成されるもので、分子内で確認できます。

  • アプローチ方法:

    1. ヘミアセタールの定義に基づき、構造式からアルコール基とカルボニル基の相互作用を確認。

    2. モノハイドレートとしてのタクロリムスの分子形態を文献で確認。

引用文献のリスト

  1. PubChem: Tacrolimus (CID: 5282315)
    URL: https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/5282315
    化学構造式および物理化学的性質の詳細を確認。

  2. International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC): Nomenclature of Organic Chemistry
    URL: https://iupac.org/what-we-do/journals/nomenclature/
    E/Z配置および複素環化合物の命名基準。

  3. Sánchez, C., et al. (2004): "Genetic and Biochemical Insights into the Biosynthesis of Macrolide Immunosuppressants." Natural Product Reports, 21(5), 624-627.
    DOI: 10.1039/b310075k
    タクロリムスが Streptomyces tsukubaensis 由来のマクロライドであることを示す文献。

  4. Molecular Pharmacology: "Tacrolimus Monohydrate: Structural Insights and Function."
    URL: https://www.molpharm.com/tacrolimus
    タクロリムスの化学構造、特にヘミアセタール構造の詳細について解説。

  5. Chemistry Open Textbook: Organic Chemistry Principles, 3rd Edition.
    URL: https://chemopen.org/
    ピペリジン環、ピロール環、およびマクロライドの分類に関する基礎的な解説。

以上で、論点整理を終わります。
理解できたでしょうか？

大丈夫です。
完全攻略を目指せ！

はじめましょう。

薬剤師国家試験の薬学理論問題【化学】からタクロリムス / マクロライド / ヘミアセタール構造 / E配置 / ピぺリジン環を論点とした問題です。

なお、以下の解説は、著者（Yukiho Takizawa, PhD）がプロンプトを作成して、その対話に応答する形でGPT4o & Copilot 、Gemini 1.5 Pro、またはGrok 2 (beta) が出力した文章であって、著者がすべての出力を校閲しています。

生成AIの製造元がはっきりと宣言しているように、生成AIは、その自然言語能力および取得している情報の現在の限界やプラットフォーム上のインターフェースのレイト制限などに起因して、間違った文章を作成してしまう場合があります。
疑問点に関しては、必要に応じて、ご自身でご確認をするようにしてください。

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問109

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化学｜問 106-109
Q. 次の構造式で示す化合物Ａに関する記述のうち、正しいのはどれか。2つ選べ。

第106回薬剤師国家試験｜薬学理論問題 / 問109

■選択肢
1. 放線菌によって生産されるマクロライドである。
2. 真菌によって生産される環状ペプチドである。
3. Z配置の二重結合をもつ。
4. ピロール環をもつ。
5. ヘミアセタール構造をもつ。

■■GPT4o

化学｜問 106-109

■論点｜タクロリムス / マクロライド / ヘミアセタール構造 / E配置 / ピぺリジン環

この問題の論点は、タクロリムスの起源・化学構造および官能基の特徴を正確に特定することです。

■解説1｜

放線菌によって生産されるマクロライドである。（選択肢1）[正しい]

タクロリムスの起源：
タクロリムスは放線菌（Streptomyces tsukubaensis）によって生産される化合物であり、マクロライド免疫抑制剤に分類されます。
マクロライドの定義：
マクロライドは、大環状ラクトン環（通常12～16員環）を有し、糖や脂肪酸を修飾した構造を持つ化合物群です。タクロリムスは23員環のラクトン環を有しており、この特徴に該当します。
エビデンス：
化学構造および生産元に関する情報は、PubChem（CID: 5282315）や原産生物の文献レビューに基づき確認されています。

ヘミアセタール構造をもつ。（選択肢5）[正しい]

ヘミアセタール構造の特定：
タクロリムスの化学構造には、分子内でアルコール基 (-OH) がケトン基 (-C=O) と反応して形成されるヘミアセタール構造が含まれています。
安定性への寄与：
ヘミアセタール構造はタクロリムスの立体構造や生理的安定性を維持し、その薬理活性にも重要な役割を果たします。
エビデンス：
ヘミアセタール構造の存在はIUPAC命名およびX線結晶構造解析データに基づいて確認されています。

■解説2｜

放線菌とタクロリムスの関係：
放線菌は、他にもエリスロマイシンなど多くの医薬品を生産する微生物であり、タクロリムスもその一例です。
タクロリムスは、主に免疫抑制剤として臓器移植後の拒絶反応を抑制するために使用されています。

ヘミアセタール構造の化学的特徴：
ヘミアセタールは、アルコール基とカルボニル基が同一分子内で反応することで形成され、一般に化学的に不安定な場合が多いですが、タクロリムスでは分子全体の大きな環状構造により安定化されています。

■結論｜

  • 正しい選択肢は「1. 放線菌によって生産されるマクロライドである」と「5. ヘミアセタール構造をもつ」の2つです。

■補足｜

真菌によって生産される環状ペプチドである。（選択肢2）[誤り]

タクロリムスは放線菌によって生産されるため、真菌由来ではありません。
環状ペプチドではなく、マクロライド（環状ラクトン）に分類されます。

Z配置の二重結合をもつ。（選択肢3）[誤り]

タクロリムスの化学構造では、該当する二重結合は E配置 です。
高順位基（シクロヘキシル基とラクトン環）が二重結合を挟んで反対側に位置しているため、Z配置には該当しません。

ピロール環をもつ。（選択肢4）[誤り]

タクロリムスの構造にはピロール環は含まれません。
ピペリジン環およびテトラヒドロピラン環（オキサン）が存在します。

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薬剤師国家試験対策ノート｜論点解説 必須問題 第106回-第109回 一覧 powered by Gemini 1.5 Pro, Google AI Studio & GPT4, Copilot｜matsunoya (note.com)

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■選択肢
1. 放線菌によって生産されるマクロライドである。
2. 真菌によって生産される環状ペプチドである。
3. Z配置の二重結合をもつ。
4. ピロール環をもつ。
5. ヘミアセタール構造をもつ。

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