2.1
尿素の水素結合性包接体結晶身近な有機化合物の一つに尿素 (NH2)2
CO
(図 2.1) がある．哺乳動物では，体内で不要になっ たタンパク質は分解されて尿素となり，尿中に捨 てられる．尿素は窒素源として肥料に用いられる 他，保湿作用があることから化粧品としても需要 が高い．また，尿素は初めて人工的に合成された 有機化合物として有名である．尿素をエタノールに加熱して溶かし，その溶液 を冷却すると無色の柱状の結晶が得られる．図 2.2 aに，X線結晶構造解析によって得られた結 晶内の尿素分子の並び方を示す．尿素分子の上下 に直線状に並んだ配列が分子面を直交させながら
15
本章ではまず，尿素の水素結合による超分子構築に関する話題を紹介した 後に，水素結合の特徴，水素結合によって構築された超分子の構造と性質に ついて述べる．水素結合はもともと，最も身近な物質である水が，他の元素 の水素化物と比べて特異な物理的性質をもつことを説明するために考え出さ れた概念であった．しかし現代では，水素結合は超分子構築のうえで最も重 要な分子間相互作用の一つとして利用されている．
第 2 章 水素結合による超分子構築
H
H C H
O N−
− −
H N−
＝
− −
（a）
− N−H−
− O＝C−
（b）
δ− δ＋
δ− δ＋
図 2.1 尿素の分子構造と 分子間水素結合 (a) 尿素の構造式，
(b) 分子間水素結合に みられる部分電荷
配列していることがわかる．ある尿素分子に注目すると，その分子のカルボ ニル基 (C,,
O) の酸素原子は，真下に位置する尿素分子のアミノ基 (NH
2) の 水素原子のプロトン受容体となることで水素結合による一次元の鎖を形成し ている (図 2.2 b)．さらに，一次元鎖の形成に関与しないアミノ基の水素は，隣接する鎖内のカルボニル基と水素結合を形成し，直交した面が形成されて いる (図 2.2 a)．このようにして，尿素の結晶では水素結合のネットワーク が形成され，尿素分子の規則正しい配列が実現している．なお，尿素分子は 鎖方向には同じ向きで，隣の鎖は反対の向きで並ぶことで，分子における電 荷の偏り (極性) が分子間で打ち消され，静電的に安定化している．このよ うに，結晶内で分子がどのような対称性をつくって配列しているかを明らか にすることは，分子の集合化の原理を知るうえで大切である．
1940
年代に，尿素を結晶化させる際にオクタンCH
3(CH2)6CH
3やデカンCH
3(CH2)8CH
3などの長鎖アルカン，あるいはそのアルコールやカルボン酸H N
N O
C OC
H
（a） （b）
図 2.2 尿素の X 線結晶構造(破線は水素結合を表す)
(a) 123 K で測定した尿素の結晶構造，(b) 水素結合による尿素分子の配列
誘導体を存在させておくと，尿素とそれらの化合物の混合結晶が得られるこ とが見出された．注目すべきことに，枝分かれのあるアルカンは混合結晶を つくらない．得られた結晶を
X
線結晶構造解析で調べてみると，その配列 様式は尿素分子単独の場合とは全く異なっていた (図 2.3 a)．尿素分子は，水素結合によってネットワークを形成しているが，六角形の角の尿素分子の カルボニル酸素は上下に垂直に積み重なっており，六角柱がハチの巣のよう に並んだ構造をとっている．この六角柱のつくる空間に，直鎖のアルキル基 をもつ分子が取り込まれていることがわかった．なお，尿素分子は上下に連 なる一次元鎖内でカルボニル基を横向きにして配列しており，上下のアミノ 基の水素とカルボニル基の酸素の間で二重の水素結合を形成している(図 2.
3 b)．
クラウンエーテルでは，
1
分子に金属イオンが取り込まれていたが (1.1節 参照)，ここでは，複数の分子が秩序よく配列することで形成された空間に，2.1 尿素の水素結合性包接体結晶 17
N C O
（a） （b）
図 2.3 尿素をホストとする包接化合物の結晶構造
(a) ヘキサデカン−尿素包接化合物の X 線結晶構造における尿素分子の配列 (水素原子は省略)．中央の六角形の中にゲスト(省略)が包接されている．(b) 六角形各頂点部での尿素分子の縦方向配列
他の分子が取り込まれていることがわかる．このように，分子によってつく られた空間の中に他の分子が取り込まれることによって生成する化合物を包 接化合物と呼び，空間を形成する分子をホスト，取り込まれる分子をゲスト という．
この包接現象を利用すると，脂肪族化合物を分離することができることが わかった．枝分かれのないアルカンは，尿素によって形成される空間に包接 されるが，枝分かれのあるアルカンは，その形状が尿素によって形成される 空間に合わないため包接されない．そこで，直鎖構造のオクタンと枝分かれ のあるオクタン異性体 (例えば，3-メチルヘプタン) を尿素の飽和溶液に加 えて結晶を生成させると，尿素と包接化合物を形成する直鎖構造のオクタン のみが結晶に取り込まれ，枝分かれのある異性体は溶液に残る．ろ過により 結晶を取り出し，水を加えて尿素を溶かすと，異性体を含まない純粋なオク タンが得られる (図 2.4)．尿素と包接化合物を形成させることにより直鎖 構造のアルカンを取り出す手法は，様々な構造をもつ炭化水素の混合物であ る石油の分離と精製にも利用されている．直鎖構造のアルカンは内燃機関の エンジンに激しくノッキングを起こすので，石油から直鎖構造のアルカンを 除去することは良質のガソリンを得るうえで重要である．以上の説明で明ら かなように，尿素分子は結晶中で水素結合により集合化し，ゲスト分子を包 接した超分子構造体を形成する．それによって，個々の分子では示すことの できない分子認識機能を発現している．
2.2
水 素 結 合 の 特 徴水素結合
X−H…Y
の形成には，電気陰性度の大きい原子X
とY
が関与 する．尿素の水素結合ではX
がN， Y
がO
であったが，その他にもF, Cl, Br,
I
など様々な元素が，プロトン供与体X−H
およびプロトン受容体Y
となり うる．水素結合の性質はプロトン供与体とプロトン受容体の種類によって異なるが，いくつか共通する特徴がある．一般に，水素結合
X−H…Y
は，1) 他の分子間相互作用に比べて結合力が強い，2)X
とY
間の距離が短い，3) 明らかな方向性がある，4) 結合が非対称 (XHとHY
の距離が等しくない) である，といった共通の特徴がある．そのため，予測できる分子間力として 超分子形成に利用されている．また水素結合は，生命を維持している生体物 質の構造形成や，他の分子の認識にも役立っており，その役割はきわめて大 きい．なお，炭素原子がプロトン供与体となる
C−H…O
や，ベンゼン環p電子 系がプロトン受容体となるO−H…p
電子系などの相互作用が実験的に検出 されており，これらも水素結合に含める場合もある．しかし，これらの相互 作用は，2個の電気陰性度の大きい原子が関与する水素結合に比べて圧倒的2. 2 水素結合の特徴 19
結晶生成
結晶 ろ別
母液
分枝状アルカン 尿素 - 直鎖状アルカン包接結晶
尿素溶液
図 2.4 尿素の包接現象を利用したアルカン異性体の分離
直鎖分子(オクタン)，枝分かれ分子(3-メチルヘプタン)
に弱く，超分子構造体を構築するうえで，設計性のある分子間相互作用とは ならない．
2.2.1
水素結合のエネルギー水素結合は，分子間相互作用としては比較的強い相互作用である．水素結 合のエネルギーは，水素結合によって会合している二量体の平衡定数の温度 変化や，昇華熱の測定などの熱化学的なデータから推定されている．水素結 合のエネルギーはプロトン供与体，および受容体の種類によって異なるが，
O−H…O
やN−H…O
などの最も一般的な水素結合では20
〜30 kJ mol
1 程度とされている．H2O
のO−H
結合解離エネルギーが493 kJ mol
1であ ることを考えると，水素結合の強さは共有結合の20
〜30
分の1
程度という ことができる．水素結合が分子間相互作用としては比較的強く，しかし共有結合ほど強く ないことは，超分子の構造とその機能発現において重要な意味をもつ．すな わち，水素結合によって形成された超分子構造体は一定の安定性を保持して いるが，外部から適切な刺激を加えることによって解離させることが可能と なる．すでに見たように，尿素の結晶構造が直鎖状アルカンの添加によって 変化することは，水素結合に基づく超分子構築の可逆性によるものである．
さらに，水素結合がもつこの特徴は，後述する核酸における二重らせん構造 の解離と複製，酵素における基質の固定と触媒機能など，生体物質の機能発 現において重要な役割を果たしている．
2.2.2
水 素 結 合 の 距 離2.1
節で尿素について示したように，原子X
とY
の間に水素結合X−
H…Y
が存在することは，X線結晶構造解析により結晶内における原子の位 置を調べることで明確にすることができる．しかし，水素原子はX
線の散 乱能が小さいため，その位置をはっきりと決定することが難しく，初期の研究では，異なる分子に属する原子
X
とY
の距離が異常に短いことを手掛か りに水素結合X−H…Y
の存在を推定していた．現在では，差フーリエ合成 法というX
線結晶構造解析の操作によって水素原子の位置を見ることがで きるようになったが，水素結合距離というときには，正確に決定される原子X
とY
間の距離を指す場合が多い．なお，中性子線回折法を用いれば水素 原子の位置を正確に決定することができる．結晶中における水素結合の距離 (r) と水素結合に関与するO−H…O
分子のなす角 (q) の関係を図 2.5 aに 示 す．ま た，図 2. 5 bに は，中 性 子 線 回 折 に よ っ て 得 ら れ た 水 素 結 合2. 2 水素結合の特徴 21
180 170 160 150 140 3.1
3.0 2.9 2.8 2.7 2.6 2.5 2.4
頻 度 頻 度
酸素原子間距離 / Å O−H−O 結合角 / ° RO−−−H
（b）
（a）
（c）
θ O r
図 2.5 OH…O の水素結合様式と結合距離・角度のヒストグラム
(a) 結晶中における水素結合 O−H…O の結合距離と角度，(b) O−H…O 水素 結合における酸素原子間距離のヒストグラム，(c) O−H…O 水素結合の結合角 のヒストグラム
O−H…O
を含む数百個の結晶構造解析データに基づく酸素原子間の距離の ヒストグラムを示した．このように，実際に観測される距離は広い範囲にわ たっていることがわかる．表 2.1に，O−H…O型以外のヘテロ原子を含む代表的な水素結合につい て，様々な化合物の
X
線結晶構造解析によって得られた平均的な結合距離 を示した．水素結合距離にはかなりの幅があるので，表2.1
の値はそれぞれ の水素結合における原子間距離の目安と考えるべきである．第
3
章で詳しく述べるように，それぞれの原子について，結晶中で結合を 形成せずに接触している原子間の距離から実効的な原子の半径を見積ること ができる．これをファンデルワールス半径と呼んでいる (3.5.2項参照)．酸 素原子のファンデルワールス半径は1.52
なので，水素結合O−H…O
を形 成している酸素原子間の平均距離2.72
はファンデルワールス半径の和3.04
より短くなっていることがわかる．一般に，原子の配列X−H…Y
に おいて，XとY
間の距離r(X…Y) が，それぞれのファンデルワールス半径 rvdw(X) とrvdw(Y) の和より短い場合は，H…Y
間に水素結合が形成されてい るとみなせる (式 (2.3))．r(X…Y) < rvdw(X)+rvdw(Y) (2.3) 一方，先に述べたように
X
線結晶構造解析によって水素原子の位置を明 確に決定することは難しいため，H…Y
原子間距離の正確なデータは乏しい．水素結合
O−H…O
におけるO…H
間の距離は，仮にO…O
間の距離を3.04
2.79O−H…N
2.89 2.72
O−H…O
／ r(X…Y)／Å
／
r(X…Y)／Å X−H…Y
N−H…O N−H…N X−H…Y
表 2.1 代表的な水素結合における原子間距離r(X…Y) (Å/1010m)
2.92 N−H…F
2.72 O−H…F
3.23 3.12
O−H…Cl
2.98
O−H…Br 3.28 N−H…Br 3.37 N−H…Cl
とした場合，O…O距離から
O−H
結合の長さ約1
を差し引いて，2.04 程度と見積もることができる．2.2.3
水素結合の方向性水素結合の大きな特徴として，方向性をもつことがあげられる．これは，
水素結合
X−H…Y
において，X−H−Yが形成する角度がある特定の値を とりやすいことを意味しており，“指向性がある”と表現される場合もある．以下に，水素結合が方向性をもつことを示す例をあげる．
ａ)水素結合 O−H…O の方向性
O−H…O
型の水素結合を例にとり，プロトン供与体 (OH) 側からみた水 素結合の結合角にどのような傾向があるかを，結晶構造解析のデータに基づ いて調べてみよう．水分子は図 2.5 aのようにまわりの水分子と水素結合を つくる．このとき，図 2.5 bに示す酸素原子間の距離のヒストグラムより，距離は
2.7
〜2.8
が最も安定し，図 2.5 cに示すO−H…O
結合角は180°
のところに最頻値をもち，O−H…O型水素結合が直線構造を好むことを示 している．この傾向は，結合軸上で反対側に広がっているs*軌道 (O−Hの 反結合性軌道) と，プロトン受容体である酸素原子の
n
Y軌道 (Y原子の非共 有電子対が占有している非結合性軌道non-bonding orbital) との重なりが，
直線となった場合に最大となることから理解することができる．また，結合 の分極
O
d−Hd+…Odに起因する電荷−永久双極子相互作用も，直線構造の 場合に最も安定となる．ｂ)水素結合 H…O,,C の方向性
プロトン受容体側についても水素結合に方向性が見られる．図 2.6 aは，
カルボニル酸素がプロトン受容体となっている水素結合における
C
,,O…H の構造を示す．この図から予想されるのは，カルボニル酸素原子がsp
2混成 軌道をとっているため，結晶中でその非共有電子対と水素原子が相互作用す ると仮定すると，C,,O…H
のなす角度qは120°になるということである．
2. 2 水素結合の特徴 23
実際，図 2.6 bの結合角のヒストグラムをみると，水素結合
C
,,O…Hは120°
の結合角をとりやすいことがわかる．
2.2.4
水素結合の非称性前項で示したように，結晶における水素結合
O−H…O
では，酸素原子間 の平均的な値が2.72
，H…O結合距離は1.8
程度であるから，水素原子 はプロトン供与体の酸素原子側に位置していることがわかる．このように，一般に水素結合
X−H…Y
は，X−H結合がH…Y
結合に比べてかなり短い 非対称構造をとっている．この傾向は，図 2.7に示すように，水素結合
X−H…Y
に おける中性構造X−H…Y
と分極構造X
…H−Y+の安定性と，それらの間の変換に必要な160 140 120 100 80
頻 度
H−O＝C 結合角 / °
（b）
（a）
sp2 混成酸素原子
＝C O H X
θ
図 2.6 XH…OC の水素結合様式と結合角のヒストグラム
(a) 結晶における水素結合 H…O,,C の構造，(b) 水素結合 X−H…O,,C に おける H−O,,C 結合角のヒストグラム
活性化エネルギーの大きさによって連続的に理解することができる．一般の 水素結合では，水素原子の位置によってポテンシャルエネルギーは図 2.7 a のように変化するため，X−H…Yの構造で存在するが，分極構造
X
…H−Y
+が安定化するにつれて構造変化に必要な活性化エネルギーは低下する (図 2.7 d 上)．二つの安定構造がp結合の組み換えと連動して起こる互変 異性の場合には，図 2.7 bの [ ] 内に記述されているように，生じた電荷が p結合の切り換えに伴って消滅し，水素結合のポテンシャル曲線は等価な二 重極小型となるため (図 2.7 d 下)，気体や溶液中では，二つの構造の間での プロトンの移動が速やかに起こる (共鳴ではないことに注意)．これに対し，2. 2 水素結合の特徴 25
プロトンの位置
エネルギー
X…H−Y X-
…H−Y+ +
X−H…Y X−H…Y
（b）
（a） （d）
（c）
O−−H O H H H
O H−−O H H H
-
O O
O OH
O OH
H H O O H O
O + -
Br O H O
Br O H O
ナフタザリン 5-ブロモ-9-ヒドロキシフェナレノン の互変異性
図 2.7 水素結合 X−H…Y ポテンシャル曲線と具体例
(a)一般の水素結合(非対称な二重井戸型ポテンシャル)，(b) 2 つの等価な安定 構造をもつ水素結合，(c)ナフタザリンと 5-ブロモ-9-ヒドロキシフェナレノンの 結晶中での互変異性，(d)X−H…Y のプロトン移動に伴うポテンシャルエネル ギーの変化
結晶中では，分子間の双極子相互作用により互変異性が停止し，異なる互変 異性体が交互に配列している場合が多い．例外的にナフタザリン等の結晶中 ではかなりの低温まで互変異性が起こっているが，163℃ 以下では結晶構 造の相転移に伴って互変異性が停止する．一方，
5-ブロモ-9-ヒドロキシフェ
ナレノンでは，結晶中での2
つの互変異性体の対称性が高く，エネルギー障 壁が低いため，互変異性が極低温まで停止しないことが知られている (図 2.7 c)．
2.3
水 素 結 合 の 起 因2.1
節で紹介した尿素における水素結合は，N−H…O,,C
と表記すること ができ，窒素原子をプロトン供与体，カルボニル酸素原子をプロトン受容体 として構成されている．これは，水素原子を仲介として，窒素原子と酸素原 子の間に結合性の相互作用が生じていると見ることもできる．このような水 素原子が関与する結合の形成は，どのような力に起因するのであろうか．水素結合の起因については古くから様々に議論されてきたが，イオン結合 (静電力によるイオン間の結合) や共有結合 (2個の原子による電子対の共 有，あるいは軌道相互作用による結合) とは異なり，結合の要因となる引力 的な相互作用を単独の力として定義することができない．水素結合には，1) 静電相互作用，
2) 双極子−双極子相互作用， 3) 軌道間相互作用が関与してい
る．軌道間相互作用は，さらに電荷移動相互作用と交換斥力とに分けること ができる．このうち，静電的相互作用と電荷移動相互作用が主な引力的相互 作用として働き，交換斥力を上回ることによって，水素結合が形成される．以下にそれぞれの相互作用について説明する．
2.3.1
静 電 相 互 作 用先に述べた尿素における水素結合
![[書評] Praveen Jha ed., Progressive fiscal policy in India](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAP///wAAACH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)