超分子化学について

超分子とは

　超分子とは、一つの単純な分子の単純な性質（融点・沸点・色）を超えるような複雑な機能（分子認識・秩序的集合など）を持った分子のことである。しばしば、弱い相互作用（水素結合、疎水性相互作用・配位結合）などを上手に利用して複雑な機能を持たせるものとも説明される。一方で、最近では共有結合でも大きな集合構造や可逆的な利用に使われている場合も超分子に分類されている。また、大した相互作用がなくても、機械的に結合（鎖のような状態）の分子も超分子と呼ばれる。また、単純な分子でも集合することで巨大構造を作る時も超分子だと認識される。超分子化学は厳密に定義をされているようで、研究者の中ではかなり柔軟な考え方をされている状態である。（ずーっと研究されてる分野だと定義とかギチギチで動きにくいけど、超分子化学ではそういう圧迫感は無い。『包接（分子を内包する現象）』を『包摂』と予測変換の通りに書くと怒られるくらいである。

私のイメージでは、機能と美しさを持つ分子が多いです。藤田先生の錯体なんかはとても綺麗です。https://doi.org/10.1002/anie.200461422

本当は自分が作った分子を載せてドヤ顔したいけど、このサイト作ってるの『お前かよw』ってなるんで・・・・・結晶解析ソフトolex2とか地味に日本初の解説記事書いたんで、わりと知り合い・友人もこのサイト見ながらインストールして使ってるはずなんだよな。

超分子化学の歴史

超分子化学において、分子間力の存在は、非常に重要です。そのため、超分子を語るためには、超分子が定義される前の『分子間力の発見』にルーツがあります。1873年にファンデルワールスによって初めて分子間力の存在が示されました。この発見が始めのターニングポイントです。

分子の形の重要性

次に、フィッシャーは、超分子化学の『形』に関する基礎的な考え方を発明しました。いわゆるフィッシャーの鍵と鍵穴の話です。フィッシャーは、酵素と基質の相互作用が、『構造体の形』によって鍵のように合うものと合わないものがあるがあることに気付き、酵素の基質認識において鍵と鍵穴の関係があると提唱しました（1894年）。これが後に分子認識とホスト-ゲスト化学の基本原理になります。つまり分子同志の形が合わないとお互いの相互作用が無い（弱い）よっていう超分子の基礎中の基礎の考え方だね。

非共有結合の重要性

20世紀初頭、非共有結合は徐々に詳細に理解され、特に超分子で利用される水素結合は1920年にLatimerとRodebushによって報告されています。

水素結合の原理は、タンパク質構造などの生物学的な分野でしばしば使われています。たとえば、DNAの二重らせん構造は水素結合を介して、二本の鎖状構造を実現しています。これも現在の超分子化学の基礎的な考え方・モデル構造であると言える。

これ以外にもミセルやマイクロエマルジョンなどの非共有相互作用に基づいた研究がスタートしました。これ以外にも、配位結合や可逆的共有結合なども注目されるようになります。

超分子化学という概念の創出

最終的に、1960年代チャールズJ.ペダーセンによるクラウンエーテルの合成によって、ブレイクスルーが起こります。弱い相互作用による新しい現象が見えていること、および、分子の形などが複合的に影響を与えていること見えるようになりました。この研究に続いて、ドナルドJ.クラム、ジャンマリーレーン、などの他の研究者は、形状およびイオン選択性受容体の合成に積極的になり、1980年代を通じて、この分野の研究は、機械的連動などの概念で急速なペースで集まりました。分子構造が出現しています。これらの分子は、共有結合で繋ぐだけの分子では実現しない、複雑で生物的な機能を与えます。これが、分子を超えた分子（超分子）の始まりです。

ちなみに、超分子という言葉は、ジャンマリーレーンによって提唱されています。1987年のノーベル化学賞に、ドナルドJ.クラム、ジャンマリーレーン、チャールズJ.ペダーセンが選ばれました。

超分子化学とは何か（超分子第一講義）

超分子化学という概念は、ジャン＝マリー・レーン（ノーベル化学賞受賞）によって提唱されました。どの様なものかとういうと、当時の有機化学では重要視していなかった弱い相互作用を利用した集合構造とその挙動や現象による化学のことです。超分子化学(超分子科学)という概念自体は、ジャン＝マリー・レーンによって作られましたが、弱い力を使った科学現象に関する研究は、ずっと以前から行われていました。例えば、界面活性剤なんかは、数百年前から研究されている超分子の一つです。
しかしながら、それらの散逸した研究をまとめる概念が無かったために、有機化学や界面化学、物理化学等の分野で弱い力の研究がされていました。ジャン＝マリー・レーンは、超分子化学という言葉をつくり、バラバラに研究されていたも一つの括りとしました。また、生命の様な複雑な機能は、弱い相互作用により実現しているため、超分子化学は、生命の現象を解明・再現することも目的の一つになっています。
結局のところ、超分子化学は一つの分野としてより、複数の分野が融合して成り立っている分野です。

超分子化学の弱い相互作用一覧

超分子化学で利用される弱い力とは、"共有結合で無いモノ"or"可逆的な相互作用"という認識で良いと思います。
具体的には、以下の相互作用(現象)を利用している場合が多いです。見てみると分かりますが、本当に多くの相互作用があります。

• 疎水性相互作用（疎水効果)
• 疎溶媒効果
• ファンデルワールス力
• 配位結合
• 水素結合
• ハロゲン結合
• π-π相互作用
• CH-π相互作用
• カチオン-π相互作用
• アニオン-π相互作用
• 可逆的な共有結合
• トポトジカル結合
• イオン結合
• 水和
• 溶媒和

超分子の種類

超分子化学として考えられる分子としては、
界面活性剤によるミセル形成,ベシクル形成
カゴ型分子による分子内包
超分子ポリマー
ロタキサンの様なトポロジカル結合
MOFやCOF
などがあります。

ー記事をシェアするー

B!