ホストとゲストの相性

超分子化学において、^[1] ホスト-ゲスト化学は、完全な共有結合以外の力によって独特の構造関係で結合された2つ以上の分子またはイオンで構成される複合体を指します。ホスト-ゲスト化学は、非共有結合による分子認識と相互作用という概念を包含しています。非共有結合は、タンパク質などの大きな分子の3D構造を維持するのに非常に重要であり、大きな分子が特異的に、しかし一時的に互いに結合する多くの生物学的プロセスに関与しています。

非共有結合性相互作用は、静電的寄与が大きいものと分散的寄与が大きいものに大別できますが、よく言及される非共有結合性相互作用の種類はいくつかあります。イオン結合、水素結合、ファンデルワールス力、疎水性相互作用です。^[2]

ホスト-ゲスト相互作用は、発見されて以来、大きな注目を集めています。多くの生物学的プロセスはホスト-ゲスト相互作用を必要とするため、これは重要な分野であり、いくつかの材料設計にも役立ちます。シクロデキストリン、クラウンエーテルなど、いくつかの典型的なホスト分子があります。

「ホスト分子」は通常、「ゲスト分子」を捕らえることができる「細孔のような」構造を持っています。分子と呼ばれていますが、ホストとゲストは多くの場合イオンです。相互作用の駆動力は、疎水効果やファンデルワールス力など、さまざまです^{[5] [5] [ 6] [7] [8]}

ホストとゲスト間の結合は高度に選択的になる可能性があり、その場合の相互作用は分子認識と呼ばれます。多くの場合、結合していない状態と結合した状態の間には動的平衡が存在します。

${\displaystyle H+G\rightleftharpoons \HG}$

H ="ホスト"、G ="ゲスト"、HG ="ホスト-ゲスト コンプレックス"

「ホスト」成分は多くの場合、より大きな分子であり、より小さな「ゲスト」分子を囲んでいます。生物系では、ホストとゲストの類似用語は、それぞれ酵素と基質と呼ばれます。^[9]

ホスト-ゲスト化学に密接に関連しているのが、包接化合物（包接錯体とも呼ばれる）です。これは、 1 つの化合物（「ホスト」）に「ゲスト」化合物を収容できる空洞がある化学錯体です。ホストとゲストの相互作用は、純粋にファンデルワールス結合によって行われます。包接化合物の定義は非常に広く、ゲスト分子が収まる結晶格子内の分子間に形成されるチャネルにまで及びます。

さらに別の関連した化合物のクラスはクラスレートであり、これは分子を捕捉または包含する格子で構成されることが多い。 ^[11]クラスレートという言葉はラテン語の clathratus（clatratus ）に由来し、「棒状の、格子状の」を意味する。^[12]

分子カプセル化は、ゲストをより大きなホスト内に閉じ込めることです。場合によっては、真のホスト-ゲスト可逆性が観察されますが、他の場合には、カプセル化されたゲストは逃げることができません。^[13]

カプセル化（および一般的なホスト-ゲスト化学）の重要な意味合いは、ゲストが溶液中にあるときとは異なる挙動を示すことです。二分子経路で反応するゲスト分子は、他の反応物と結合できないため、安定化されることがよくあります。捕捉されたゲストの分光学的特徴は基本的な関心事です。通常、溶液中では非常に不安定な化合物は、分子カプセル化されると室温で分離されます。例としては、シクロブタジエン、^[15] アラインまたはシクロヘプタテトラエンがあります。^{[16] [17]}メタラプリズムとして知られる大きなメタラアセンブリには、さまざまなゲスト分子をホストできる構造的に柔軟な空洞があります。これらのアセンブリは、がん細胞への薬物送達剤として有望であることが示されています。

カプセル化により反応性を制御することができます。例えば、遊離1-フェニル-3-トリル-2-プロポナノン（略称A-CO-B）の励起状態反応では、脱炭酸反応に続いてラジカルA•とB•がランダムに再結合してAA、BB、ABという生成物が生成されます。一方、同じ基質をカプセル化すると、制御された再結合生成物ABと再配置生成物（A-CO-Bの異性体）が生成されます。^[18]

有機ホストはキャビタンドと呼ばれることもあります。クラムによって提案された元の定義には、シクロデキストリン、カリックスアレーン、ピラーアレーン、ククルビトゥリルなど、多くのクラスの分子が含まれています。^[19]

カリックスアレーンおよび関連するホルムアルデヒド-アレーン縮合物（レゾルシナレーンおよびピロガロラレーン）は、包接化合物を形成するホストのクラスを形成します。^{[5] [20]} ホルムアルデヒド由来のオリゴマー環の関連ファミリーは、ピラーアレーン（柱状アレーン）です。ホスト-ゲスト錯体形成の安定化効果の1つの有名な例は、このような有機ホストによるシクロブタジエンの安定化です。 ^[21]

シクロデキストリン（CD）は、エーテル結合でつながったいくつかのグルコース単位からなる管状分子である。3種類のCD、α-CD（6単位）、β-CD（7単位）、γ-CD（8単位）は、空洞サイズがそれぞれ5、6、8Åと異なる。α-CDは1つのPEG鎖に通すことができ、γ-CDは2つのPEG鎖に通すことができる。β-CDはチオフェンベースの分子と結合することができる。^[5]シクロデキストリンは、包接化合物の形成のための確立されたホストである。^{[1] [2] [3]}一例として、水熱条件下で100℃でシクロデキストリンに挿入されるフェロセンのケースが挙げられる。 ^[22]

ククルビットウリルは、メチレン架橋（−CH ₂ − ）によって結合したグリコールウリル（=C ₄ H ₂ N ₄ O ₂ =）モノマーからなる大環状分子である。酸素原子はバンドの端に沿って位置し、内側に傾いており、部分的に閉じた空洞（キャビタンド）を形成する。ククルビット[n]ウリルはγ-CDと似た大きさで、同様に挙動する（例えば、1つのククルビット[n]ウリルは2つのPEG鎖に絡み合うことができる）。^[5]

クリプトファンの構造には6つのフェニル環が含まれており、主に4つの方法で結合しています。フェニル基と脂肪族鎖により、クリプトファン内のケージは疎水性が高く、非極性分子を捕捉する能力があることを示唆しています。これに基づいて、クリプトファンは水溶液中のキセノンを捕捉するために使用することができ、生物学的研究に役立つ可能性があります。^[5]

クラウンエーテルは陽イオンと結合する。12-クラウン-4などの小さなクラウンエーテルはLi+などの小さなイオンとよく結合し、24-クラウン-8などの大きなクラウンはより大きなイオンとよく結合する。^[5]イオン性ゲストとの結合以外に、クラウンエーテルは1,2,3-トリアゾールなどの中性分子とも結合する。クラウンエーテルは細い線状分子やポリマーで連結され、ロタキサンと呼ばれる超分子構造を形成する。クラウンエーテルは鎖に結合していないため、連結分子内を上下に移動できる。^{[8]金属陽イオンのクラウンエーテル錯体（および対応する}クリプタンド の錯体）は、ゲストがファンデルワールス結合よりも強い力で結合しているため、包接錯体とは見なされない。

ゼオライトは、ゲスト種が存在できる空洞を持つオープンフレームワーク構造を持っています。 ゼオライトはアルミノケイ酸塩で構成されているため、剛性があります。多くの構造が知られており、そのうちのいくつかは触媒や分離に非常に有用です。^[11]

_{シリカクラスラシルは、 SiO2}骨格を持つクラスレート水和物と構造的に類似した化合物であり、さまざまな海洋堆積物中に存在します。^[23]

化学式A ₈ B ₁₆ X ₃₀で表されるクラスレート化合物（Aはアルカリ土類金属、BはIII 族元素、XはIV 族元素）は、熱電デバイス用として研究されてきました。熱電材料は、フォノンガラス電子結晶コンセプトと呼ばれる設計戦略に従います。^{[24] [25]}ゼーベック効果を生み出すには、低い熱伝導率と高い電気伝導率が望まれます。ゲストフレームワークとホストフレームワークが適切に調整されている場合、クラスレートは低い熱伝導率、つまりフォノンガラス挙動を示すことができ、ホストフレームワークを通る電気伝導性は妨げられず、クラスレートは電子結晶を示すことができます。

ホフマンクラスレートは、化学式Ni(CN) ₄ ·Ni(NH ₃ ) _{2 （アレーン）で表される}配位ポリマーです。これらの材料は小さな芳香族ゲスト（ベンゼン、特定のキシレン）と結晶化し、この選択性はこれらの炭化水素の分離に商業的に利用されています。^[11]金属有機構造体（MOF）はクラスレートを形成します。

尿素は、式O=C(NH ₂ ) ₂の小分子で、開放型だが硬いネットワークに結晶化するという特異な性質を持つ。効率的な分子パッキングのコストは、水素結合によって補われる。水素結合した尿素分子のリボンは、多くの有機ゲストが結合するトンネル状のホストを形成する。尿素クラスレートは分離のためによく研究されてきた。^{[26]尿素以外にも、[[[チオ尿素]]、}ヒドロキノン、ディアニン化合物など、 いくつかの有機分子がクラスレートを形成する 。^[11]

ホスト分子とゲスト分子が結合して単一の複合体を形成する場合、平衡は次のように表される。

${\displaystyle H+G\leftright銛 HG}$

平衡定数Kは次のように定義される。

${\displaystyle K={\frac {[HG]}{[H][G]}}}$

ここで[X]は化学種Xの濃度を表す（すべての活動係数は数値1であると仮定）。質量バランス方程式は、どのデータポイントでも、

${\displaystyle T_{H}=[H]+K[H][G]}$

${\displaystyle T_{G}=[G]+K[H][G]}$

ここで、およびはホストとゲストの合計濃度を表し、たとえば [G] の単一の二次方程式に簡約できるため、任意の K 値に対して解析的に解くことができます。次に、濃度 [H] と [HG] を導出できます。 ${\displaystyle T_{G}}$${\displaystyle T_{H}}$

${\displaystyle [H]=T_{H}-T_{G}+[G]}$

${\displaystyle [HG]=K[H][G]}$

計算の次のステップは、観測された量に対応する量の値を計算することである。次に、すべてのデータポイントnpの平方和Uは次のように定義される。 ${\displaystyle X_{i}^{calc}}$${\displaystyle X_{i}^{obs}}$

${\displaystyle U=\sum _{i=1,np}(X_{i}^{obs}-X_{i}^{calc})^{2}}$

これは、安定度定数 K と、化学シフト HG (NMR データ) やモル吸光度 (UV/VIS データ) などのパラメータを考慮して最小化できます。この手順は、1:1 付加物に適用できます。

核磁気共鳴(NMR) スペクトルでは、試薬分子に含まれる特定の原子およびその試薬の 1 つ以上の複合体から生じる観測化学シフト値δは、それらの化学種のすべてのシフトの濃度加重平均になります。化学交換は、NMR の時間スケールで急速に行われるものと想定されます。

UV-vis 分光法を使用すると、各種の吸光度はランベルト・ビールの法則に従ってその種の濃度に比例します。

${\displaystyle A_{\lambda }=\ell \sum _{i=1}^{N}\varepsilon _{i,\lambda }c_{i}}$

ここで、λ は波長、はN個の化合物 (発色団)の溶液が入っているキュベットの光路長、 は波長 λ におけるi番目の化学種のモル吸光度 (吸光係数とも呼ばれる) 、 c _{i は}その濃度です。濃度が上記のように計算され、さまざまな濃度のホストとゲストを含むサンプルの吸光度が測定されると、ランベルト・ベールの法則によって、特定の波長における未知の吸光係数値に対して線形最小二乗法で解くことができる一連の方程式が与えられます。 ${\displaystyle \ell}$${\displaystyle \varepsilon _{i,\lambda }}$

ホスト-ゲスト構造は、その発光によって調べることができます。剛性マトリックスは発光体が消光されるのを防ぎ、リン光の寿命を延ばします。^[27]この状況では、α-CDとCBを使用できます。^{[28] [29]}この場合、リン光体はホストと相互作用するゲストとして機能します。たとえば、4-フェニルピリジウム誘導体はCBと相互作用し、アクリルアミドと共重合します。結果として得られたポリマーは、約2秒のリン光寿命をもたらしました。さらに、Zhuらはクラウンエーテルとカリウムイオンを使用してポリマーを修飾し、リン光の発光を強化しました。^[30]

ホスト-ゲスト相互作用を評価するもう一つの手法は熱量測定です。

ホスト ゲストの複合化は、生化学の分野で広く行われています。多くのタンパク質ホストは、他の生体分子を認識し、選択的に結合します。タンパク質ホストが酵素の場合、ゲストは基質と呼ばれます。これらの概念は生物系では十分に確立されていますが、合成ホスト ゲスト化学の応用は、ほとんどが願望の領域に留まっています。大きな例外の 1 つは、ホスト ゲスト化学が存在意義であるゼオライトです。

修飾シクロデキストリンとアダマンタンから構築された自己修復ハイドロゲル。[ 31 ^{] [33]}もう一つの戦略は、ポリマー骨格とホスト分子（ホスト分子がポリマーにねじ込まれる）間の相互作用を利用することです。ねじ込みプロセスが十分に速ければ、自己修復も達成できます。^[32]

シクロデキストリンは香料と包接化合物を形成し、光や空気にさらされてもより安定します。繊維に組み込むと、徐放作用により香りがより長く持続します。^[34]

光分解性ケージド化合物は、薬剤や試薬を放出するための容器として研究されてきた。^{[35] [36]}

ピラー[5]アレーン、スピロピラン、ペンタンニトリル（自由状態およびポリマーにグラフトされた状態）で構築された暗号化システムは、Wangらによって構築されました。紫外線照射後、スピロピランはメロシアニンに変換されます。可視光を材料に照射すると、ピラー[5]アレーンを含まないペンタンニトリル錯体に近いメロシアニンはスピロピランへの変換が速く、逆にピラー[5]アレーンがグラフトされたペンタンニトリル錯体に近いものは変換速度がはるかに遅くなります。このスピロピラン-メロシアニン変換は、メッセージの暗号化に使用できます。^[37]別の戦略は、金属ケージと多環芳香族炭化水素に基づいています。^[38]複合体とケージの蛍光発光の違いにより、情報を暗号化できます。

ホスト-ゲスト相互作用の中には強力でないものもありますが、その量を増やすことで材料の機械的特性を向上させることができます。例えば、ホスト分子をポリマーに絡ませることは、ポリマーの機械的特性を向上させるためによく使用される戦略の 1 つです。ホスト分子がポリマーから抜けるのには時間がかかり、これがエネルギー散逸の原因となる可能性があります。^{[33] [39] [40]}別の方法は、低速交換ホスト-ゲスト相互作用を使用することです。低速交換は機械的特性を向上させますが、同時に、自己修復特性が犠牲になります。^[41]

テトラホスホネートキャビタンドで機能化されたシリコン表面は、水や尿溶液中のサルコシンを単独で検出する ために使用されている。^[42]

従来、化学センシングは、リンカーを介して受容体に共有結合した指示薬を含むシステムでアプローチされてきました。分析対象物が結合すると、指示薬は色が変わるか蛍光を発します。この技術は、指示薬-スペーサー-受容体アプローチ（ISR）と呼ばれます。^[43] ISRとは対照的に、指示薬置換アッセイ（IDA）は、受容体（ホスト）、指示薬、分析対象物（ゲスト）間の非共有結合相互作用を利用します。ISRと同様に、IDAも比色（C-IDA）および蛍光（F-IDA）指示薬を利用します。IDAアッセイでは、受容体を指示薬とともにインキュベートします。分析対象物が混合物に加えられると、指示薬が環境に放出されます。指示薬が放出されると、色が変わる（C-IDA）か蛍光を発します（F-IDA）。^[44]

IDAは、従来のISR化学センシングアプローチと比較していくつかの利点があります。第一に、指示薬を受容体に共有結合させる必要がありません。第二に、共有結合がないため、同じ受容体にさまざまな指示薬を使用できます。最後に、アッセイに使用できる媒体は多様です。^[45]

C-IDA などの化学センシング技術には生物学的な意味合いがある。例えば、プロタミンは心肺手術後に日常的に投与される凝固剤で、ヘラピンの抗凝固作用を打ち消す。血漿サンプル中のプロタミンを定量するために、比色置換アッセイが使用される。アズール A 染料は結合していないときは青色だが、ヘラピンに結合すると紫色を示す。アズール A とヘパリンの結合は弱く可逆的である。これにより、プロタミンはアズール A を置換することができる。染料が遊離すると、紫色を示す。染料が置換される程度は、血漿中のプロタミンの量に比例する。^[46]

F-IDAは、クワルチコフスキーと同僚らによって大腸菌のヘリカーゼの活性をモニターするために使用されている。この研究では、チアゾールオレンジを指示薬として使用した。ヘリカーゼはdsDNAをほどいてssDNAを作る。チアゾールオレンジの蛍光強度はssDNAよりもdsDNAに対して親和性が高く、dsDNAに結合しているときの方が結合していないときよりも蛍光強度が増加する。^{[47] [48]}

結晶性固体は、伝統的に、原子成分の運動が振動平衡に制限される静的実体であると考えられてきた。グラファイトからダイヤモンドへの変化に見られるように、固体から固体への変化は物理的または化学的圧力下で起こり得る。ある結晶配列から別の結晶配列への変化は、協調的に起こると提案されている。^{[49] [50]}これらの研究のほとんどは、有機または金属有機フレームワークの研究に焦点を当ててきた。^{[51] [52]}高分子結晶変化の研究に加えて、有機溶媒の存在下で構造を変えることができる単結晶分子の研究もある。有機金属錯体は、溶媒蒸気にさらされるかどうかに応じて、さまざまな方向に変形することが示されている。^[53]

有害物質を除去するためにホストゲストシステムが提案されている。特定のカリックス[4]アレーンはセシウム137イオンと結合し、原理的には放射性廃棄物の除去に応用できる。いくつかの受容体は発がん物質と結合する。^{[54] [55]}

ミュンヘンの欧州食品栄養科学研究所の食品化学者ウド・ポルマー氏によると、アルコールは糖誘導体であるシクロデキストリンに分子的にカプセル化できる。このようにして小さなカプセルにカプセル化することで、液体を粉末として扱うことができる。シクロデキストリンは、自身の重量の約60％のアルコールを吸収することができる。^[56]このプロセスは、1974年に米国で特許が登録されている。 ^[57]

• クリプトファン

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