動的共有結合化学

動的共有結合化学（DCvC）は、化学者が個別の分子構成要素から複雑な分子および超分子アセンブリを作成するために使用する合成戦略です。 ^{[1] DCvCにより、}共有結合有機フレームワーク、分子ノット、ポリマー、および新しいマクロサイクルなどの複雑なアセンブリが可能になります。^[2]動的コンビナトリアル化学と混同しないでください。DCvCは共有結合相互作用のみに関係します。そのため、超分子化学のサブセットのみを網羅しています。

基本的な考え方は、迅速な平衡化により、さまざまな異なる種の共存が可能になり、その中から、望ましい化学的、薬学的、生物学的特性を持つ分子を選択できるというものです。たとえば、適切なテンプレートを追加すると、より安定性の高い複合体を形成する成分の方向に平衡がシフトします (熱力学的 テンプレート効果)。新しい平衡が確立された後、反応条件が変更され、平衡化が停止します。次に、通常の実験室手順により、テンプレートに最適なバインダーが反応混合物から抽出されます。DCvC が超分子化学で役立つようにする自己組織化とエラー修正の特性は、動的特性に依存しています。

動的システムは、可逆的に組み立てたり分解したりできる個別の分子コンポーネントの集合です。システムには、競合反応を引き起こす複数の相互作用する種が含まれる場合があります。

動的反応混合物では、複数の生成物が平衡状態で存在します。分子成分の可逆的な組み立てにより、生成物と半安定中間体が生成されます。反応は、速度論的経路または熱力学的経路に沿って進行します。速度論的中間体の初期濃度は、熱力学的生成物よりも高くなります。これは、熱力学的経路と比較して活性化障壁 (ΔG‡) が低いため、形成速度が速いためです。速度論的経路は、図 1 に紫色のエネルギー図として表されています。時間の経過とともに、中間体は、図 1 の反応図で赤で示されている、全体的なギブズ自由エネルギー(ΔG°) が最も低い、全体的な最小値に向かって平衡化します。生成物が最も安定した生成物に向かって再び平衡化するための原動力は、熱力学的制御と呼ばれます。任意の平衡状態における生成物の比率は、生成物の自由エネルギーの相対的な大きさによって決まります。この割合と相対エネルギーの関係は、マクスウェル-ボルツマン分布と呼ばれます。

熱力学テンプレートの概念は、図 1 に示されています。熱力学テンプレートは、他の製品と比較してギブスの自由エネルギー (ΔG°) を下げることによって、ある製品の形を他の製品よりも安定化できる試薬です。シクロファン C2 は、水素化ナトリウムの存在下でジオールとクロロ臭化メタンの不可逆的な高希釈反応によって生成できます。ただし、この二量体は、酸触媒(トリフルオロメタンスルホン酸)によるトランスアセタール化によってもたらされる、異なるサイズのポリアセタール大環状分子間の一連の平衡の一部です。^[4]出発物質がC2、C4または高モル質量生成物のいずれであっても、平衡によって最終的に多くの大環状分子とオリゴマーにわたる生成物の分布が生成されます。このシステムでは、トランスアセタール化触媒が銀トリフラートである場合に、銀イオンがC2キャビティに理想的かつ不可逆的に適合するため、混合物中のC2の存在を増幅することができます。

DCvC で使用される反応は、自己組織化のエントロピーコストを克服するために、熱力学的に安定した生成物を生成する必要があります。反応は、構成要素間の共有結合を形成する必要があります。最後に、考えられるすべての中間体は可逆的である必要があり、反応は理想的には分子内の他の場所の官能基を許容する条件下で進行する必要があります。

DCvC で使用できる反応は多様であり、2 つの一般的なカテゴリに分類できます。交換反応では、分子間反応の 1 つの反応パートナーが、同じタイプの結合を持つ別の反応パートナーに置き換えられます。この例として、図 5 と図 8 のエステル交換反応とジスルフィド交換反応が挙げられます。2 つ目のタイプである形成反応は、新しい共有結合の形成に依存します。例としては、ディールス・アルダー反応とアルドール反応があります。場合によっては、反応が両方のカテゴリに該当することがあります。たとえば、シッフ塩基形成は、カルボニルと第一級アミンの間に新しい共有結合を形成する反応として分類できます。ただし、2 つの異なるアミンが存在する場合、反応は交換反応となり、2 つのイミン誘導体が平衡状態で競合します。

交換反応と生成反応はさらに 3 つのカテゴリに分類できます。

1. 炭素と炭素の結合
2. 炭素とヘテロ原子の結合
3. ヘテロ原子間の結合

炭素原子間の結合形成により、熱力学的に非常に安定した生成物が形成されます。そのため、反応速度を改善し、可逆性を確保するために、触媒の使用が必要になることがよくあります。

アルドール反応は、有機化学において炭素と炭素の結合を形成するためによく使用されます。反応生成物に共通するアルデヒド-アルコールモチーフは、合成化学や天然物に広く見られます。この反応では、2 つのカルボニル化合物を使用して β-ヒドロキシカルボニルを生成します。動力学的生成物と出発物質の間の活性化障壁により、動的可逆プロセスが遅くなりすぎるため、常に触媒が必要です。これまでに成功裏に使用されている触媒には、酵素アルドラーゼとAl ₂ O ₃ベースのシステムがあります。^[5]

ジエンとアルケンの[4+2]環化付加はDCvC反応として利用されてきた。これらの反応は高温で可逆的であることが多い。フラン-マレイミド付加物の場合、逆環化付加は40℃という低温でも可能である。^[6]

オレフィンとアルキンのメタセシスは、炭素-炭素結合を形成する反応を指します。オレフィンメタセシスの場合、結合は2つのsp ²混成炭素中心間に形成されます。アルキンメタセシスでは、結合は2つのsp混成炭素中心間に形成されます。^[7] 開環メタセシス重合（ROMP）は、重合およびマクロサイクル合成に使用できます。^[1]

一般的な動的共有結合構築モチーフは、炭素中心と窒素や酸素などのヘテロ原子間の結合形成です。炭素とヘテロ原子間に形成される結合は炭素-炭素結合よりも安定性が低いため、炭素結合を形成する動的共有結合反応よりも可逆性が高く、熱力学的平衡に早く到達します。

エステル交換はエステルカルボニルとアルコールの間で起こる。逆エステル化は加水分解によって起こる。この方法はポリマー合成で広く使用されている。^[8]

炭素と窒素の間の結合形成反応は、動的共有結合化学で最も広く使用されています。これらは、分子スイッチ、共有結合有機フレームワーク、および自己選別システムのための材料化学でより広く使用されています。^[1]

イミン形成はアルデヒドまたはケトンと第一級アミンの間で起こります。同様に、アミナール形成はアルデヒドまたはケトンと隣接する第二級アミンの間で起こります。^[8]両方の反応はDCvCでよく使用されます。^[1]両方の反応は最初は形成反応として分類できますが、いずれかの試薬の1つ以上が存在すると、カルボニルとアミン間の動的平衡は交換反応になります。

動的ヘテロ原子結合形成は、動的共有結合反応ツールボックスで有用な反応を提示します。ボロン酸縮合（BAC）とジスルフィド交換は、このカテゴリの2つの主要な反応を構成します。^[1]

ジスルフィドは遊離チオールと動的交換反応を起こすことができる。この反応はDCvCの分野ではよく文書化されており、動的特性を持つことが実証された最初の反応の1つである。^{[1] [9]}ジスルフィド化学の応用には、生物学的モチーフであるという利点もある。システイン残基は自然系でジスルフィド結合を形成することができる。^[1]

ボロン酸の自己縮合またはジオールとの縮合は、よく知られた動的共有結合反応である。ボロン酸縮合は、様々な基質と2つの動的結合を形成するという特徴がある。これは、3DケージやCOFなど、高い剛性が求められるシステムを設計する際に有利である。^[10]

動的共有結合化学には実用的な用途はないが、さまざまな超分子構造へのアクセスを可能にしている。上記の反応を利用して分子断片を結合させることで、高次材料が作られている。これらの材料には、マクロサイクル、COF、分子ノットなどがある。これらの製品は、ガス貯蔵、触媒、バイオメディカルセンシングなどに応用されている。^[1]

動的共有結合反応は、最近、システム化学において、可逆的にプロトンを放出することでシグナル伝達カスケードを開始するために使用されています。反応の動的性質は、カスケードシステムに適切な「オンオフ」スイッチのような性質を提供します。^[11]

DCvCがマクロサイクル合成に有用であることを示す例は数多く存在する。このタイプの化学は、熱力学的テンプレート効果が環構造の安定化に適しているため、大型マクロサイクル合成に効果的である。さらに、DCvCに固有のエラー訂正能力により、欠陥のない大型構造を作ることができる。^{[12] [13]}

共有結合性有機構造体（COF）の合成における現在の方法はすべてDCvCを使用しています。Yaghiらによって実証されたボロン酸脱水は、最も一般的に使用される反応です。^[14] COFは、ガス貯蔵、触媒などに使用されています。考えられる形態としては、無限の共有結合性3D構造体、2Dポリマー、または個別の分子ケージなどがあります。

DCvC は、複雑な位相特性を持つ分子を作成するために使用されています。ボロミアン環の場合、DCvC は 3 つの環が連結したシステムを合成するために使用されます。熱力学テンプレートは、連結したマクロサイクルの成長を安定化するために使用されます。

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• 超分子化学におけるボロン酸：糖の認識
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