双性イオン

双性イオン

双性イオン（そうせいイオン、ドイツ語: Zwitterion、英語: zwitterion）とは、化学において、同一分子内に正の電荷を帯びた部位と負の電荷を帯びた部位を同時に有する化学種のことを指します。分子全体としては電気的に中性ですが、分子内の特定の原子や官能基が局所的に異なる符号の電荷を帯びているのが特徴です。この独特な電荷分布から、「分子内塩（inner salt）」と呼ばれることもあります。

代表的な例：アミノ酸

双性イオン構造をとる化合物の中で最も広く知られているのがアミノ酸です。アミノ酸分子は、分子骨格中にカルボキシ基（-COOH）という酸性の官能基と、アミノ基（-NH2）という塩基性の官能基の両方を持っています。水溶液などの極性溶媒中では、これらの官能基の間でプロトン（水素イオン、H+）の移動が生じます。具体的には、カルボキシ基からプロトンが解離して負電荷を持つカルボキシラート基（-COO-）となり、同時にこのプロトンがアミノ基に結合して正電荷を持つアンモニウム基（-NH3+）となります。この分子内でのプロトン移動は平衡反応であり、結果として一つのアミノ酸分子内に正と負の電荷が共存する双性イオン構造が形成されます。

例えば、アミノ酸の一般構造は以下のような平衡で双性イオンを形成します。


RCH(NH2)COOH ⇌ RCH(NH3+)COO-
(中性分子) (双性イオン)

存在状態と確認

双性イオンは、溶液中だけでなく、固体状態や気相中にも存在することが確認されています。最も簡単なアミノ酸であるグリシンは、固体状態では双性イオンとして存在することが、中性子回折法といった精密な構造解析手法によって証明されています。また、特定の条件下では、アミノ酸の双性イオンが気相中に存在しうることも示されています。

アミノ酸以外にも、分子内に酸性官能基と塩基性官能基を併せ持つ多くの化合物が、分子内でのプロトン移動（互変異性化）によって双性イオン構造を形成します。その例として、以下のような化合物が挙げられます。

生化学実験などで緩衝剤として利用されるビシンやトリシン（これらは第二級または第三級アミノ基とカルボキシ基を持ちます）
無機酸の一種であるスルファミン酸（固体状態での中性子回折法により双性イオン構造が確認されています）
リゼルグ酸やシロシビンといった多くのアルカロイド類

第四級アンモニウム中心を含む双性イオン

双性イオン構造を持つ分子の中には、窒素原子が四つの有機基と結合し、常に正電荷を帯びている第四級アンモニウム中心（-N+R4）を含むものも多く存在します。このタイプの分子では、N-H結合が存在しないため、前述のアミノ酸のような互変異性化によるプロトンの授受ではなく、もともと第四級アンモニウムとして存在する正電荷部位と、分子内の他の負電荷部位によって双性イオン構造が構築されます。

このような第四級アンモニウム構造を含む双性イオンは、特に生物学的に重要な分子に頻繁に見られます。

魚類の浸透圧調節に関わるベタイン
* 細胞の境界を形成する生体膜の主要成分であるリン脂質

リン脂質の分子は、疎水性の尾部と親水性の頭部から構成されますが、この親水性頭部が典型的な双性イオン構造をとっています。具体的には、負電荷を帯びたリン酸エステル部位と、カチオン性の第四級アンモニウム部位（あるいは他のカチオン性基）が同一分子内に存在することで、極性が高く水との親和性が強い双性イオン性の頭部が形成されます。この構造が、細胞膜が水環境中で安定な二分子膜構造を形成する上で極めて重要な役割を果たしています。

双性イオンは、その両性の性質と高い極性により、一般的に水溶性が高いという性質を持ちます。また、特定のpH（等電点と呼ばれる）においては、分子全体の正電荷と負電荷の総和がゼロとなり、電場中でも移動しなくなります。この性質は、タンパク質などの生体分子の分離・精製技術に広く応用されています。

関連項目 ベタイン

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