超分子化学

分子自己組織化とは、外部からの指示や管理なしに（適切な環境を提供する以外に）システムを構築することである。分子は非共有結合相互作用によって集合するように誘導される。自己組織化は、分子間自己組織化（超分子集合体を形成するため）と分子内自己組織化（フォールダマーやポリペプチドに見られるような折り畳み）に細分化できる。分子自己組織化は、ミセル、膜、小胞、液晶などのより大きな構造の構築も可能にし、結晶工学において重要である。^{[ 24 ]}

分子認識とは、ゲスト分子が相補的なホスト分子に特異的に結合してホスト-ゲスト複合体を形成することである。多くの場合、どの分子が「ホスト」でどの分子が「ゲスト」であるかの定義は任意である。分子は非共有結合相互作用を用いて互いを識別することができる。この分野の主要な応用例は、分子センサーの構築と触媒作用である。^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]}

分子認識と自己組織化は、反応性種を用いて化学反応（1つ以上の共有結合の形成）のための系を事前に組織化するために利用できます。これは超分子触媒作用の特殊なケースと考えることができます。反応物と「テンプレート」との間の非共有結合は、反応物の反応部位を近接させ、目的の化学反応を促進します。この技術は、大きなマクロサイクルの合成など、目的の反応構造が熱力学的または速度論的に起こりにくい場合に特に有効です。この事前組織化は、副反応の最小化、反応の活性化エネルギーの低下、目的の立体化学の生成といった目的にも役立ちます。反応後、テンプレートはそのまま残る場合もあれば、強制的に除去される場合、あるいは反応生成物の異なる認識特性により「自動的に」脱錯体化される場合もあります。テンプレートは、単一の金属イオンのような単純なものから、非常に複雑なものまで様々です。

機械的に連結された分子構造は、トポロジーの結果としてのみ連結された分子から構成されます。異なる構成要素間（多くの場合、システムの構築に使用されたもの）には、いくつかの非共有結合相互作用が存在する可能性がありますが、共有結合は存在しません。超分子化学、特にテンプレート指向合成は、これらの化合物の効率的な合成の鍵となります。機械的に連結された分子構造の例としては、カテナン、ロタキサン、分子ノット、分子ボロメアン環^{[ 29 ]}、2D[ c2 ]デイジーチェーンポリマー^{[ 30 ]}、およびラヴェル^{[ 31 ]などがあります。}

動的共有結合化学では、共有結合は熱力学的制御下で可逆反応によって切断および形成されます。共有結合はこのプロセスにおいて重要ですが、システムは非共有結合力によって最低エネルギー構造を形成するように制御されます。^{[ 32 ]}

多くの合成超分子システムは、生物システムの機能を模倣するように設計されています。これらの生体模倣構造は、生物学的モデルと合成実装の両方について学ぶために使用できます。例としては、光電気化学システム、触媒システム、タンパク質設計、自己複製などがあります。^{[ 33 ]}

分子インプリンティングとは、適切な分子種をテンプレートとして用いて、小さな分子からホストを構築するプロセスを指します。構築後、テンプレートは除去され、ホストのみが残ります。ホスト構築のテンプレートは、完成したホストが結合するゲストとは微妙に異なる場合があります。最も単純な形態では、インプリンティングは立体相互作用のみを利用しますが、より複雑なシステムでは、結合強度と特異性を向上させるために、水素結合やその他の相互作用も組み込まれています。^{[ 34 ]}

分子マシンは、直線運動や回転運動、スイッチング、捕捉などの機能を実行できる分子または分子集合体です。これらのデバイスは超分子化学とナノテクノロジーの境界に存在し、超分子の概念を使用してプロトタイプが実証されています。^{[ 35 ]}ジャン＝ピエール・ソヴァージュ、サー・J・フレイザー・ストッダート、バーナード・L・フェリンガは、「分子マシンの設計と合成」で2016年のノーベル化学賞を共同受賞しました。^{[ 36 ]}

• ビピリジニウムとジオキシアレーンまたはジアミノアレーンのπ -π電荷移動相互作用は、機械的に連結されたシステムの構築や結晶工学において広く利用されてきた。
• クラウンエーテルと金属カチオンまたはアンモニウムカチオンとの結合は、超分子化学において広く用いられている。
• カルボン酸二量体の形成、およびその他の単純な水素結合相互作用。
• ビピリジンまたはテルピリジンとルテニウム、銀、またはその他の金属イオンとの錯体形成は、多数の個々の分子からなる複雑な構造を構築する上で非常に有用である。
• 陰イオン錯体形成は、モジュールを連結する手段を提供する。

マクロサイクルは、超分子化学における伝統的な構成要素です。マクロサイクル効果は、そうでなければ弱い相互作用を強化します。 シクロデキストリン、カリックスアレン、ククルビツリル、クラウンエーテルは、アルカリ金属カチオンの組み込みを可能にします。より複雑な3次元受容体には、シクロファンやクリプタンドが含まれます。超分子メタロサイクルとメタロクラウンは 関連する構成要素です。^{[ 37 ]}これらのタイプのアプリケーションで一般的なメタロサイクルの形状には、三角形、四角形、五角形があり、それぞれが「自己組織化」によってピースを連結する官能基を持っています。^{[ 38 ]}

多くの超分子システムでは、構成要素が互いに適切な間隔と立体配座を持つ必要があり、そのため容易に利用できる構造単位が必要となる。^{[ 39 ]}

• 一般的に用いられるスペーサーや連結基としては、ポリエーテル鎖、ビフェニル、ターフェニル、および単純なアルキル鎖などが挙げられる。これらのユニットを合成・連結するための化学的原理は十分に解明されている。
• ナノ粒子、ナノロッド、フラーレン、デンドリマーは、ナノメートルサイズの構造体およびカプセル化ユニットを提供する。
• 表面は、複雑なシステムを構築するための足場として、また電気化学システムと電極とのインターフェースとして利用できる。規則的な表面は、自己組織化単分子膜や多層膜の構築に利用できる。
• 固体中の分子間相互作用の理解は、過去 10 年間にさまざまな実験的および計算的手法からのインプットによって大きなルネッサンスを経験しました。これには、固体中の高圧研究や室温で液体である化合物の「in situ」結晶化、および固体状態での電子密度解析、結晶構造予測、DFT 計算の使用が含まれ、結晶中のそのような相互作用に関連する性質、エネルギー、およびトポロジー特性を定量的に理解することが可能になりました。^{[ 40 ]}

• ポルフィリン類やフタロシアニン類は、光化学的および電気化学的活性を高度に調整できるだけでなく、錯体を形成する可能性も秘めている。
• 光変色性基および光異性化性基は、光にさらされると、結合特性を含む形状や特性を変化させることができる。
• テトラチアフルバレン（TTF）とキノンは複数の安定な酸化状態を持つため、酸化還元反応や電気化学に利用できる。
• ベンジジン誘導体、ビオロゲン、フラーレンなどの他のユニットは、超分子電気化学デバイスにおいて有用である。

• アビジンとビオチン間の極めて強い複合体形成は血液凝固に不可欠であり、合成システムを構築するための認識モチーフとして利用されてきた。
• 酵素と補因子との結合は、修飾酵素、電気的に接触した酵素、さらには光スイッチ可能な酵素を製造するための手段として利用されてきた。
• DNAは、合成超分子システムにおいて、構造単位としても機能単位としても利用されてきた。

超分子化学の概念は触媒の設計にインスピレーションを与えることができる。非共有結合相互作用は反応物の結合に影響を与える。^{[ 42 ]}

超分子化学に基づく設計は、機能性生体材料および治療薬の設計にインスピレーションを与えてきました。^{[ 43 ]}超分子生体材料は、機械的、化学的、生物学的特性を調整可能な、モジュール式で汎用性の高いプラットフォームを多数提供します。これらには、ペプチドの超分子集合、ホスト-ゲストマクロサイクル、高親和性水素結合、および金属-配位子相互作用に基づくシステムが含まれます。

超分子アプローチは、ナトリウムイオンとカリウムイオンを細胞内外に輸送するための人工イオンチャネルを作成するために広く使用されてきた。^{[ 44 ]}

超分子相互作用は薬物と標的の結合に影響を与える。薬物送達の分野では、超分子化学はカプセル化と標的放出メカニズムを提供する可能性がある。^{[ 45 ]}さらに、超分子システムは細胞機能にとって重要なタンパク質間相互作用を阻害するように設計されている。 ^{[ 46 ]}

超分子相互作用は分析対象物を検出するために提案されている。^{[ 47 ]}