非共有結合相互作用

化学において、非共有結合相互作用は共有結合とは異なり、電子の共有を伴わず、^[1]分子間または分子内のより分散した電磁相互作用を伴う。非共有結合相互作用の形成で放出される化学エネルギーは、通常1～5kcal/モル（6.02 × 10²³分子）。 ^[2]非共有結合相互作用は、静電、 π効果、ファンデルワールス力、疎水効果などのさまざまなカテゴリに分類できます。 ^{[3] [2]}

非共有結合性相互作用^{[4] は、}タンパク質や核酸などの巨大分子の3次元構造を維持するのに極めて重要です。また、巨大分子が特異的に、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も関与しています（DNAページのプロパティセクションを参照）。これらの相互作用は、薬物設計、結晶性、特に自己組織化のための材料設計、そして一般的に多くの有機分子の合成にも大きな影響を与えます。^{[3] [5] [6] [7] [8]}

非共有結合性の相互作用は、同じ分子の異なる部分間（例：タンパク質の折り畳み中）または異なる分子間で発生する可能性があり、そのため分子間力としても議論されます。

イオン相互作用には、反対の符号の完全な永久電荷を持つイオンまたは分子の引力が含まれます。たとえば、フッ化ナトリウムは、ナトリウム (Na ⁺ )の正電荷とフッ化物 (F ⁻ )の負電荷を引き付けます。 ^[9]しかし、この特定の相互作用は、水または他の高極性溶媒に添加すると簡単に壊れます。水中でのイオン対形成は主にエントロピー駆動です。単一の塩橋は通常、中程度のイオン強度 I で約 ΔG =5 kJ/mol の引力値になり、I がゼロに近い場合は値が約 8 kJ/mol に増加します。ΔG 値は通常、加算的であり、遷移金属イオンなどを除いて、関与するイオンの性質にはほとんど依存しません。^[10]

これらの相互作用は、特定の原子に局所的な電荷を持つ分子でも見られます。たとえば、エタノールの共役塩基であるエトキシドに関連する完全な負電荷は、ナトリウム陽イオン（Na ⁺ ）などのアルカリ金属塩の正電荷を伴っていることが最も一般的です。

水素結合（H 結合）は、部分的に正の水素原子と、電気陰性度が高く部分的に負の酸素、窒素、硫黄、またはフッ素原子（水素原子と共有結合していない）との間の双極子間引力を伴う特定のタイプの相互作用です。これは共有結合ではなく、強い非共有相互作用として分類されます。これは、水が室温で液体であり、気体ではない理由です（水の分子量が低いため）。最も一般的には、水素結合の強さは 0～4 kcal/mol ですが、40 kcal/mol ほど強くなることもあります^[3]クロロホルムや四塩化炭素などの溶媒では、例えばアミド間の相互作用で約 5 kJ/mol の加算値が観察されます。ライナス・ポーリングによると、水素結合の強さは基本的に静電荷によって決まります。クロロホルムまたは四塩化炭素中の何千もの錯体の測定により、あらゆる種類のドナー-アクセプターの組み合わせで自由エネルギーが加算的に増加することが分かりました。^{[11] [12]}

ハロゲン結合は、実際の結合の形成や切断を伴わない非共有結合相互作用の一種であり、むしろ水素結合として知られる双極子間相互作用に似ています。ハロゲン結合では、ハロゲン原子は求電子剤、つまり電子を求める種として働き、求核剤、つまり電子が豊富な種と弱い静電相互作用を形成します。これらの相互作用における求核剤は、非常に電気陰性度が高い傾向があり(酸素、窒素、硫黄など)、または負の形式電荷を持つアニオン性である可能性があります。水素結合と比較すると、ハロゲン原子は部分的に正に帯電した水素の代わりに求電子剤となります。^[要出典]

ハロゲン結合はハロゲン-芳香族相互作用と混同してはならない。両者は関連しているが定義が異なる。ハロゲン-芳香族相互作用は電子豊富な芳香族π雲を求核剤として関与するが、ハロゲン結合は単原子求核剤に限定される。^[5]

ファンデルワールス力は、永久双極子または誘導双極子（または多重極子）を伴う静電相互作用のサブセットです。これには次のものが含まれます。

• 永久双極子間相互作用、別名キーソム力とも呼ばれる
• 双極子誘起双極子相互作用、またはデバイ力
• 誘起双極子相互作用（ロンドン分散力と呼ばれる）

水素結合とハロゲン結合は通常、ファンデルワールス力として分類されません。

双極子間相互作用は、分子内の永久双極子間の静電相互作用です。これらの相互作用は、分子を整列させて引力を高める（位置エネルギーを減らす）傾向があります。通常、双極子は、酸素、窒素、硫黄、フッ素などの電気陰性度の高い原子に関連付けられています。

たとえば、一部のマニキュア除去剤の有効成分であるアセトンは、カルボニルに関連した正味の双極子を持っています (図 2 を参照)。酸素は、共有結合している炭素よりも電気陰性度が高いため、その結合に関連した電子は炭素よりも酸素に近くなり、酸素に部分的な負電荷 (δ ⁻ ) を、炭素に部分的な正電荷 (δ ⁺ ) を生成します。酸素と炭素の間の共有結合により電子がまだ共有されているため、これらは完全な電荷ではありません。電子が共有されなくなった場合、酸素と炭素の結合は静電相互作用になります。

${\displaystyle {\overset {\color {Red}\delta +}{{\ce {H}}}}-{\overset {\color {Red}\delta -}{{\ce {Cl}}} \cdots {\overset {\color {Red}\delta +}{{\ce {H}}}}-{\overset {\color {Red}\delta -}{{\ce {Cl}}}}$

多くの場合、分子には双極子基が含まれていますが、全体的な双極子モーメントはありません。これは、分子内に対称性があり、双極子が互いに打ち消し合う場合に発生します。これは、テトラクロロメタンなどの分子で発生します。原子が永久双極子を持つことはめったにないため、2 つの個別の原子間の双極子間相互作用は通常ゼロであることに注意してください。原子双極子を参照してください。

双極子誘起双極子相互作用（デバイ力）は、永久双極子を持つ分子が永久双極子を持たない別の非極性分子に近づくことによって生じます。この接近により、非極性分子の電子は接近する分子の双極子に向かってまたは双極子から離れて分極します（または双極子を「誘起」します）。 ^[13]具体的には、双極子は、入ってくる双極子の方向に応じて、非極性分子からの電子の静電引力または反発を引き起こします。^[13]原子半径が大きい原子は「分極しやすい」と考えられているため、デバイ力の結果としてより大きな引力を受けます。^[要出典]

ロンドン分散力^{[14] [15] [16] [17]}は、非共有結合相互作用の中で最も弱いタイプです。しかし、有機分子では、特にヘテロ原子が存在する場合、多数の接触により、より大きな寄与につながる可能性があります。これらは「誘起双極子-誘起双極子相互作用」としても知られ、本質的に永久双極子を持たない分子であっても、すべての分子間に存在します。分散相互作用は、相互作用するグループの分極率とともに増加しますが、分極率の増大した溶媒によって弱まります。^[18] これらは、電子が隣接する分子の電子から一時的に反発することによって発生し、1つの分子に部分的に正の双極子、別の分子に部分的に負の双極子をもたらします。^[6] ヘキサンは、極性のない分子または非常に電気陰性度の高い原子を持つ分子の良い例ですが、主にロンドン分散力により室温で液体です。この例では、1 つのヘキサン分子が別のヘキサン分子に近づくと、入ってくるヘキサンの一時的な弱い部分的負の双極子が別のヘキサン分子の電子雲を分極させ、そのヘキサン分子に部分的正の双極子を生じさせます。溶媒がない場合、ヘキサンなどの炭化水素は分散力により結晶を形成します。結晶の昇華熱は分散相互作用の尺度です。これらの相互作用は短命で非常に弱いですが、特定の非極性分子が室温で液体である理由の原因である可能性があります。

π効果は、πスタッキング、カチオン-π相互作用およびアニオン-π相互作用、極性-π相互作用など、さまざまなカテゴリに分類できます。一般的に、π効果は分子とアレーンのπシステムとの相互作用に関連しています。^[3]

π–π相互作用は、分子システムのπ軌道間の相互作用に関連しています。^[3]芳香族環の高い分極率は、いわゆるスタッキング効果に大きく寄与する分散相互作用につながります。これらは、DNAなどの核酸塩基の相互作用に大きな役割を果たします。^[19]簡単な例として、完全に共役したπクラウドを持つベンゼン環は、π–π相互作用を介して、隣接するベンゼン環と2つの主要な方法（および1つのマイナーな方法）で相互作用します（図3を参照）。ベンゼンがスタックする2つの主要な方法は、エッジツーフェイス（エンタルピーは約2 kcal/mol）と、変位（またはスリップスタック）（エンタルピーは約2.3 kcal/mol）です。^[3]サンドイッチ構成は、π軌道の電子の静電反発力が高いため、前述の2つほど安定した相互作用ではありません。^[3]

陽イオン-π相互作用は、状況によっては水素結合と同等かそれ以上に強くなることがある。^{[3] [20]}

アニオン-π相互作用はカチオン-π相互作用と非常に似ていますが、逆です。この場合、アニオンは電子の少ないπシステムの上に位置しており、通常は共役分子上の電子吸引置換基の存在によって確立されます^[21]

極性-π相互作用は、永久双極子を持つ分子（水など）がπシステムの四重極モーメント（ベンゼンのものなど（図5を参照））と相互作用することによって起こります。陽イオン-π相互作用ほど強くはありませんが、これらの相互作用は非常に強く（約1-2 kcal/mol）、水素結合とπシステムの両方を含む固体のタンパク質の折り畳みや結晶化によく関係しています。^[3]実際、水素結合供与体（非常に電気陰性度の高い原子に結合した水素）を持つ分子はどれも、共役分子の電子が豊富なπシステムと好ましい静電相互作用を持ちます。^[要出典]

疎水効果とは、非極性分子が水溶液中で凝集して水から分離しようとする現象である。^[22]この現象により、非極性分子の極性水分子に対する露出表面積が最小になり（典型的には球状の液滴）、生化学ではタンパク質の折り畳みやその他のさまざまな生物学的現象を研究するために一般的に使用されている。^[22]この効果は、さまざまな油（食用油を含む）と水を混ぜたときにもよく見られる。時間の経過とともに、水の上にある油は、小さな液滴から大きな扁平な球に凝集し始め、最終的には水たまりの上に油だけが膜状に広がる。しかし、疎水効果はエントロピーの関数であり、通常はエントロピー・エンタルピー補償によって特徴付けられる2つの分子間の特定の相互作用ではないため、非共有結合性相互作用とは見なされない。^{[23] [24] [25]}本質的にエンタルピー的な疎水効果は、限られた数の水分子が空洞内に制限されている場合に実現される。このような水分子を配位子で置換すると水分子が解放され、バルク水中では最大で4つ近くの水素結合を持つことになる。^{[26] [27]}

ほとんどの医薬品は、酵素または受容体に「結合」して生理学的反応を引き起こし、酵素の機能能力を増減させる小分子です。小分子のタンパク質への結合は、立体的または空間的な考慮事項とさまざまな非共有結合相互作用の組み合わせによって制御されますが、一部の薬物は活性部位を共有結合で変更します（不可逆的阻害剤を参照）。酵素結合の「鍵と鍵穴モデル」を使用すると、薬物（鍵）は、酵素の結合部位（鍵穴）にぴったり合うように、おおよそ適切な寸法でなければなりません。^[28]適切なサイズの分子骨格を使用して、薬物は、結合親和性結合定数を最大化し、薬物が結合部位から解離する能力を低下させるために、酵素と非共有結合的に相互作用する必要があります。これは、結合部位の小分子とアミノ酸の間に、水素結合、静電相互作用、パイスタッキング、ファンデルワールス相互作用、双極子間相互作用など、さまざまな非共有相互作用を形成することによって実現されます。

非共有結合性金属薬物が開発されている。例えば、3本の配位子鎖が2つの金属を包み込み、ほぼ円筒形のテトラカチオンを形成する二核三重らせん化合物が調製されている。これらの化合物は、二本鎖DNA、Y字型フォーク構造、4方向ジャンクションなどのあまり一般的ではない核酸構造に結合する。^[29]

タンパク質がアミノ酸の一次（線状）配列から三次元構造に折り畳まれる過程は、疎水力や分子内水素結合の形成など、あらゆる種類の非共有結合性相互作用によって制御される。二次構造や三次構造を含むタンパク質の三次元構造は、水素結合の形成によって安定化される。一連の小さな立体配座の変化によって空間的な配向が修正され、達成可能な最もエネルギーが最小化された配向が得られる。タンパク質の折り畳みは、分子シャペロンと呼ばれる酵素によって促進されることが多い。^[30]立体配座、結合ひずみ、角度ひずみも、タンパク質が一次配列から三次構造に折り畳まれる際に大きな役割を果たす。

単一の三次タンパク質構造は、複数の独立して折り畳まれたサブユニットからなるタンパク質複合体を形成するために組み立てられることもできる。全体として、これはタンパク質の四次構造と呼ばれる。四次構造は、異なるサブユニット間の水素結合などの比較的強い非共有結合相互作用の形成によって生成され、機能的な高分子酵素を生成する。^{[31]一部のタンパク質は、触媒反応中に活性部位で補}因子を結合するために非共有結合相互作用も利用するが、補因子は酵素に共有結合することもできる。補因子は、活性酵素の触媒機構を助ける有機分子または無機分子のいずれかである。補因子が酵素に結合する強さは大きく異なる可能性があり、非共有結合した補因子は通常、水素結合または静電相互作用によって固定される。

非共有結合相互作用は、液体の沸点に大きな影響を与えます。沸点は、液体の蒸気圧が液体の周囲の圧力と等しくなる温度として定義されます。簡単に言えば、液体が気体になる温度です。予想どおり、物質の非共有結合相互作用が強いほど、沸点は高くなります。たとえば、化学組成が似ている 3 つの化合物、n-ブトキシドナトリウム (C ₄ H ₉ ONa)、ジエチルエーテル(C ₄ H ₁₀ O)、n-ブタノール(C ₄ H ₉ OH) を考えてみましょう。

溶液中のそれぞれの種に関連する主な非共有結合相互作用は、上の図に示されています。前述のように、イオン相互作用は水素結合よりも切断にかなり多くのエネルギーを必要とし、水素結合は双極子間相互作用よりも多くのエネルギーを必要とします。沸点で観察された傾向 (図 8) は、まさに予想される相関関係を示しています。つまり、ナトリウム n-ブトキシドは、ジエチルエーテルよりもはるかに高い温度で沸騰する n-ブタノールよりも、沸騰するのにかなり多くの熱エネルギー (より高い温度) を必要とします。化合物が液体から気体に変化するために必要な熱エネルギーは、各分子が液体状態で経験する分子間力を破壊するために必要なエネルギーに関連しています。