1981年ノーベル化学賞
受賞理由
化学反応過程の理論的研究
受賞者
日本
アメリカ合衆国, 
ポーランド
解説
福井謙一さんとロアルド・ホフマンさんは、分子の中にある電子の“通り道”を調べて、反応が起こるかどうかを予想する方法を見つけました。電子はボールではなく雲のように広がっていますが、その形によって分子同士がくっついたり離れたりします。二人の研究によって、薬やプラスチックを作るときに「この反応はうまくいくかな？」と前もって考えられるようになりました。これは、レゴブロックの形を見て先に組み立て方を想像するのに似ています。化学者はこれで時間と材料を節約できるようになりました。
関連キーワード
フロンティア軌道理論
フロンティア軌道理論（FMO理論）は、反応を支配するのは主に最外殻の電子（HOMO）と最も低い空き軌道（LUMO）であるという仮定に基づく。有機化学では、この二つの軌道同士のエネルギー差や対称性が反応の速さや生成物の立体化学を決定すると考える。例えばDiels–Alder反応では、ジエンのHOMOとジエン受容体のLUMOのエネルギーと位相整合性が重要である。この理論は計算コストが低くても定性的予測が可能な点が利点で、多くの反応機構の第一近似として使われる。現代のDFT解析でも、結果を理解する指針としてFMO概念が頻繁に参照される。
ウッドワード・ホフマン則
ウッドワード・ホフマン則は、ペリ環状反応が進行可能かどうかを軌道対称性の保存で判断する選択則である。可逆的回転（コンサート回転）か反転回転かによって生成物の立体化学が変わる。熱反応と光反応では対称許容条件が入れ替わる点が特徴で、群論のC2n+1軸や鏡映面の存在によって説明される。この法則により複雑な天然物合成でどの経路を採用すべきか事前に予測できるようになった。今日では計算化学の結果をチェックする指標としても用いられる。
HOMO
HOMO（最高被占軌道）は分子内で最もエネルギーが高い電子占有軌道で、電子を供与しやすい位置を示す。反応機構論では求核性を評価する指標として扱われる。HOMOの位相分布は立体選択性を左右し、触媒設計ではHOMOを適切に安定化または活性化させることが重要となる。紫外可視吸収スペクトルの長波長端はしばしばHOMO→LUMO遷移に対応する。この概念は半導体や有機発光材料のバンド設計にも応用される。
LUMO
LUMO（最低空軌道）は電子を受け取りやすい軌道であり、求電子性や触媒活性中心の空席を示す。反応ではHOMOとLUMOのエネルギー差が小さいほど反応しやすい。薬設計では標的分子のLUMOに合わせた電子供与性官能基を導入することで結合親和性を高められる。光触媒ではLUMOが太陽光吸収後に電子を運ぶ「受け皿」として働く。LUMOの形状はX線結晶構造と分子軌道計算の比較で詳細に検証できる。
ペリ環状反応
ペリ環状反応は環閉合・開裂が一挙に起こる協奏型反応で、遷移状態が単一の環状電子流で表される。電環化反応、シグマトロープ転位、環状付加反応が代表例である。ウッドワード・ホフマン則によって反応の許容性と立体選択性が予測でき、天然物合成で鍵中間体を効率的に構築する手段として多用される。熱反応では熱活性化により、光反応では励起状態を経由して進行し、生成物の構造が変わる。量子化学計算ではIRC（intrinsic reaction coordinate）解析で環状遷移状態を追跡する。
計算化学
計算化学は量子力学や分子力学を用いて化学現象を数値的に解析する学問領域である。福井の研究は、簡便なHückel型計算でも反応性を議論できることを示し、この分野の草分けとなった。今日ではDFTやCCSD(T)など高精度手法が用いられ、酵素反応や材料デザインに応用が広がる。スーパーコンピュータやGPUの発展により、数千原子規模の系でも反応経路を探索できるようになった。AIとの融合で自動合成計画や誘導探索が注目されている。
軌道対称性保存則
軌道対称性保存則は、閉殻系の協奏反応では遷移状態に入る電子配置の総対称性が反応前後で変化しないという原理である。群論的には点群における表現の直積が対称（A表現）に帰着する必要がある。ペリ環状反応が熱条件下で許容か禁制かを数式的に判定できる点が特徴。光励起では電子配置が変わるため保存則の適用条件が切り替わる。反応設計や触媒開発で、許容経路を選択的に促進する指針として重要視される。