π相互作用

化学において、π効果またはπ相互作用は、πシステムが関与する非共有相互作用の一種です。負電荷の領域が正電荷と相互作用する静電相互作用と同様に、電子が豊富なπシステムは、金属（陽イオンまたは中性）、陰イオン、別の分子、さらには別のπシステムと相互作用することができます。^[1] πシステムが関与する非共有相互作用は、タンパク質-リガンド認識などの生物学的イベントにとって極めて重要です。^[2]

最も一般的なタイプのπ相互作用は次のとおりです。

• 金属–π相互作用：金属とπシステムの面との相互作用を伴う。金属は陽イオン（陽イオン–π相互作用として知られる）または中性イオンである可能性がある。
• 極性-π相互作用: 極性分子とπシステムの四重極モーメントの相互作用が含まれます。

• 芳香族間相互作用（πスタッキング）：芳香族分子同士の相互作用が含まれます。
  • アレーン–パーフルオロアレーン相互作用：電子豊富なベンゼン環は電子不足のヘキサフルオロベンゼンと相互作用します。

• π ドナー-アクセプター相互作用: 低エネルギーの空の軌道 (アクセプター) と高エネルギーの満たされた軌道 (ドナー) 間の相互作用。

• アニオン–π相互作用: アニオンとπシステムの相互作用
• 陽イオン–π相互作用: 陽イオンとπシステムの相互作用
• C–H–π相互作用：CHとπ系の相互作用：これらの相互作用は実験的手法と計算手法を用いて十分に研究されている。^{[3] [4]}

^{[5] [6] [7]}

アニオン系およびπ芳香族系（典型的には電子不足）は、構造の反発力に関連する相互作用を生み出す。これらの反発力には、静電気およびアニオン誘起分極相互作用が関与する。^{[8] [9]}この力により、この系は超分子化学における受容体およびチャネルとして利用することができ、医療分野（合成膜、イオンチャネル）および環境分野（センシング、水からのイオン除去など）への応用が可能になる。^[10]

アニオン-π相互作用を描写した最初のX線結晶構造は2004年に報告されました。^[11]これは固体状態で描写されているだけでなく、溶液中に相互作用が存在するという証拠もあります。^[12]

π効果は、かなりの量の結合エンタルピーを提供するため、生物系に重要な貢献をします。神経伝達物質は、タンパク質受容体の活性部位に結合することによって、その生物学的効果の大部分を生み出します。キナーゼ-π相互作用は、アセチルコリン （Ach）神経伝達物質にとって重要です。^{[13] [14]}アセチルコリンエステラーゼの構造には、14個の高度に保存された芳香族残基が含まれています。Achのトリメチルアンモニウム基は、トリプトファン（Trp）の芳香族残基に結合します。インドール部位は、PheとTyrのベンゼンおよびフェノール残基よりもはるかに強い負の静電ポテンシャル領域を提供します。

πシステムは、さまざまな官能基との汎用的な非共有結合相互作用のため、超分子アセンブリにおける重要な構成要素です。特に、、および相互作用は、超分子アセンブリと認識に広く使用されています。 ${\displaystyle {\ce {\pi - \pi}}}$${\displaystyle {\ce {CH-\pi}}}$${\displaystyle {\ce {\pi -cation}}}$

${\displaystyle {\ce {\pi-\pi}}}$は、2 つのπ系間の直接的な相互作用に関するものであり、相互作用は、陽イオンと π 系の面との静電相互作用から生じます。これら 2 つの相互作用とは異なり、相互作用は主に C–H 軌道と π 系間の電荷移動から生じます。 ${\displaystyle {\ce {cation-\pi}}}$${\displaystyle {\ce {CH-\pi}}}$