Intermolecular force
分子間の相互作用を媒介する弱い力であり、生化学において必須である。
分子間力（IMFs）とは、分子間の相互作用を媒介する力であり、原子、イオン、またはその他の隣接粒子間の電磁気的な引力と斥力を含みます。共有結合などの分子内力と比較すると弱いですが、両方の力のセットは分子力学で使用される力場の必須要素です。微視的な力の性質に関する最初の言及は、アレクシス・クレローが1743年に発表した著作『地球の形の理論』に見られます。その後、ラプラス、ガウス、マクスウェル、ボルツマン、ポーリングなどの科学者による貢献が、現代の理解の発展に寄与しました。
引力性の分子間力は、水素結合、イオン–双極子力およびイオン–誘起双極子力、カチオン–π、σ–πおよびπ–π結合、ファンデルワールス力（キーソム力、デバイ力、ロンドン分散力）、カチオン–カチオン結合、塩橋など、いくつかの種類に分類されます。これらの力に関する情報は、粘度や圧力-体積-温度データなどの巨視的な測定から得られ、ビリアル係数やレナード-ジョーンズポテンシャルなどの分子間対ポテンシャルを介して微視的な側面と結びつけられます。最も広い意味では、これらの相互作用は化学結合が形成されないあらゆる粒子間で発生しますが、生化学においては、酵素反応が基質と酵素間の弱い分子間相互作用から始まるため、極めて重要です。
水素結合は、高い電気陰性度を持つ元素（通常は窒素、酸素、またはフッ素）に共有結合した水素原子と、別の高い電気陰性度を持つ原子との間の引力を伴います。これは強い静電相互作用として説明されることが多いですが、方向性を持ち、ファンデルワールス半径よりも短い原子間距離を生み出します。形成される水素結合の数は、ドナー分子とアクセプター分子間の活性対の数に等しくなります。分子間水素結合は、他の第16族水素化物と比較した水の高い沸点を説明し、一方、分子内水素結合はタンパク質や核酸の二次、三次、四次構造に寄与します。塩橋、またはイオン対形成は、静電力によって駆動されるカチオン性部位とアニオン性部位間の非共有結合性の引力です。水性媒体中では、会合は多くの場合エントロピー駆動型で吸熱性であり、中程度のイオン強度での1:1の組み合わせにおけるΔG値は約5～6 kJ/molで、イオンの安定性に依存します。
Quick Facts
- Relative strength
- Weaker than covalent bonds; ion–dipole bonding is not categorically stronger than hydrogen bonding
Facts from the source article.
背景と経緯
分子間力は、水素結合、イオン–双極子力、ファンデルワールス力（キーソム力、デバイ力、ロンドン分散力）、塩橋など、いくつかの種類に分類される。水素結合は、窒素、酸素、またはフッ素に共有結合した水素原子と別の電気陰性原子との間の引力を伴い、方向性があり、ファンデルワールス力よりも強い。液体の水では、各水分子は最大4つの水素結合を形成できるが、熱運動により常にすべてが活性化しているわけではなく、それでも水の高い沸点に寄与している。分子内水素結合は、タンパク質や核酸の二次、三次、四次構造に部分的に関与している。
読者ガイド
分子間力は、沸点、粘度、溶解度などの物質の物理的性質を理解するための基礎である。これらは生化学や分子生物学において極めて重要であり、すべての酵素反応は基質と酵素間の弱い分子間相互作用から始まる。これらの相互作用は個々には弱いが、エネルギー状態の大幅な再構成や共有結合の切断・形成につながる可能性がある。分子間力の研究は、巨視的測定（例：PVTデータ）をビリアル係数や対ポテンシャルを介して微視的側面と結びつける。その重要性は、合成および天然の両方のポリマーの構造、そして水和エンタルピーに見られる溶液中のイオンの安定性にまで及ぶ。
歴史的基盤と力の性質
分子間に働く力の概念は、科学的思想に深いルーツを持っています。これらの微視的な相互作用の性質に関する最も初期の既知の言及は、1743年にパリで出版されたアレクシス・クレローの論文『地球の形の理論』に見られます。その後数世紀にわたり、ラプラス、ガウス、マクスウェル、ボルツマン、ポーリングといった著名な科学者たちが、共有結合を超えた距離で粒子がどのように引き合い、反発し合うのかの理解にそれぞれ貢献しました。分子間力は、二次力と呼ばれることもあり、基本的には電磁気的な起源を持ち、原子、イオン、隣接分子間の引力または斥力を媒介します。これらは、共有結合における電子対の共有によって分子の原子を結びつける分子内力よりも明らかに弱いです。しかし、両方のカテゴリーの力は分子力学で使用される力場の不可欠な構成要素であり、弱い相互作用でさえも単なる学術的な好奇心ではなく、分子スケールで物質をモデル化するための実用的なツールであることを強調しています。
引力相互作用の分類とその生物学的範囲
引力性分子間力の状況は驚くほど多様です。水素結合がスペクトルの一端に位置し、ロンドン分散力がもう一端を占めます。その間には、イオン–双極子力およびイオン–誘起双極子力、カチオン–π、σ–πおよびπ–π結合相互作用、キーソム力とデバイ力、カチオン–カチオン結合、そしてタンパク質および超分子の両方の文脈で見られる塩橋があります。ファンデルワールス力は総称であり、キーソム力、デバイ力、ロンドン分散成分を含みます。最も広い定義では、イオン結合、共有結合、または金属結合の形成に至らない、分子、原子、イオン、または分子イオン間のあらゆる相互作用が分子間力として分類されます。これらの相互作用は共有結合よりも著しく弱く、一般的に関与する粒子の電子構造に大きな再構成を引き起こしません。しかし、この境界は絶対的なものではありません。酵素反応や触媒反応では、活性部位における正確な空間配置を持つ複数の弱い相互作用が集合的に共有結合の切断と形成を駆動し、分子間力を生化学と分子生物学における必須の最初のステップとしています。
水素結合：方向性、水、そして分子構造
水素結合は分子間力の中で特別な位置を占めています。これは、高い電気陰性度を持つ元素（典型的には窒素、酸素、またはフッ素）に共有結合した水素原子が、孤立電子対を持つ別の電気陰性原子に引き寄せられることで生じます。強い静電相互作用として説明されることが多い一方で、水素結合は共有結合的な特性も示します。すなわち、方向性があり、ファンデルワールス相互作用よりも強く、ファンデルワールス半径の和よりも短い原子間距離を生み出し、限られた数のパートナーしか関与しないという特徴は、原子価の一形態として解釈可能です。ドナー分子はその水素を提供し、アクセプターは孤立電子対を提供します。結合の数は、利用可能な水素と孤立電子対の間の共通の数に等しくなります。水はこれを美しく例証しています。各分子は4つの活性結合部位を持ち、結果として生じる分子間水素結合は、他の第16族水素化物と比較した水の異常に高い沸点100 °Cを説明します。一方、分子内水素結合は、タンパク質や核酸の二次、三次、四次構造の基盤となり、合成ポリマーと天然ポリマーの両方を形成します。
測定、対ポテンシャル、そして熱力学的定量化
分子間力を理解することは、微視的世界と巨視的世界を橋渡しします。実験的には、これらの相互作用に関する情報は、粘度、圧力、体積、温度の巨視的測定（総称してPVTデータと呼ばれる）から抽出されます。分子スケールの挙動との関連は、ビリアル係数や、ミーポテンシャル、バッキンガムポテンシャル、レナード-ジョーンズポテンシャルなどの分子間対ポテンシャルを通じて確立されます。例えば、塩橋は熱力学的に定量化できます。中程度のイオン強度の水溶液中では、1:1のアニオン–カチオン対の会合の自由エネルギーは約5～6 kJ/molであり、イオンのサイズや分極率にはほぼ依存しません。これらの値は加算的であり、電荷にほぼ比例して変化します。二価のリン酸アニオンと一価のアンモニウムカチオンが対になると、約10 kJ/molになります。イオン強度がゼロの場合、デバイ–ヒュッケル方程式はΔGが8 kJ/molであると予測します。双極子–双極子（キーソム）相互作用は、ロンドン力よりは強いものの完全なイオン–イオン引力よりは弱く、HClやクロロホルムのような極性分子が部分電荷を整列させ、ポテンシャルエネルギーを低下させ、正味の引力を生み出します。