stringtranslate.com

Нековалентное взаимодействие

В химии нековалентное взаимодействие отличается от ковалентной связи тем, что оно не предполагает совместного использования электронов , [1] , а скорее предполагает более дисперсные вариации электромагнитных взаимодействий между молекулами или внутри молекулы. Химическая энергия, высвобождаемая при образовании нековалентных взаимодействий, обычно составляет порядка 1–5 ккал/ моль (1000–5000 калорий на 6,02 × 1023 молекулы). [2] Нековалентные взаимодействия можно разделить на различные категории, такие как электростатические , π-эффекты , силы Ван-дер-Ваальса и гидрофобные эффекты . [3] [2]

Нековалентные взаимодействия [4] имеют решающее значение для поддержания трехмерной структуры больших молекул, таких как белки и нуклеиновые кислоты . Они также участвуют во многих биологических процессах, в которых большие молекулы связываются друг с другом специфически, но временно (см. раздел свойств на странице ДНК ). Эти взаимодействия также сильно влияют на дизайн лекарств , кристалличность и дизайн материалов, особенно для самосборки , и, в целом, на синтез многих органических молекул . [3] [5] [6] [7] [8]

Нековалентные взаимодействия могут возникать между различными частями одной и той же молекулы (например, во время сворачивания белка ) или между различными молекулами и поэтому также рассматриваются как межмолекулярные силы .

Электростатические взаимодействия

Ионический

Схема 1. Процесс образования NaF — пример электростатического взаимодействия

Ионные взаимодействия включают притяжение ионов или молекул с полными постоянными зарядами противоположных знаков. Например, фторид натрия включает притяжение положительного заряда натрия (Na + ) с отрицательным зарядом фторида (F − ). [9] Однако это конкретное взаимодействие легко нарушается при добавлении к воде или другим высокополярным растворителям . В воде ионное спаривание в основном обусловлено энтропией; одиночный солевой мостик обычно достигает значения притяжения около ΔG = 5 кДж/моль при промежуточной ионной силе I, при I, близком к нулю, значение увеличивается примерно до 8 кДж/моль. Значения ΔG обычно аддитивны и в значительной степени не зависят от природы участвующих ионов, за исключением ионов переходных металлов и т. д. [10]

Эти взаимодействия можно также наблюдать в молекулах с локализованным зарядом на определенном атоме . Например, полный отрицательный заряд, связанный с этоксидом , сопряженным основанием этанола , чаще всего сопровождается положительным зарядом соли щелочного металла, такой как катион натрия (Na + ).

Водородные связи

Водородные связи в воде

Водородная связь (Н-связь) — это особый тип взаимодействия, который включает диполь-дипольное притяжение между частично положительным атомом водорода и сильно электроотрицательным, частично отрицательным атомом кислорода, азота, серы или фтора (не связанным ковалентно с указанным атомом водорода). Это не ковалентная связь, а вместо этого классифицируется как сильное нековалентное взаимодействие. Оно отвечает за то, почему вода является жидкостью при комнатной температуре, а не газом (учитывая низкую молекулярную массу воды ). Чаще всего прочность водородных связей лежит в пределах от 0 до 4 ккал/моль, но иногда может достигать 40 ккал/моль [3] В растворителях, таких как хлороформ или четыреххлористый углерод, можно наблюдать, например, для взаимодействия между амидами аддитивные значения около 5 кДж/моль. По словам Лайнуса Полинга, прочность водородной связи в основном определяется электростатическими зарядами. Измерения тысяч комплексов в хлороформе или четыреххлористом углероде привели к аддитивным приращениям свободной энергии для всех видов комбинаций донор-акцептор. [11] [12]

Галогенная связь

Рисунок 1. Анионное основание Льюиса, образующее галогенную связь с оттянутым электроном бромом (кислота Льюиса)

Галогенная связь — это тип нековалентного взаимодействия, которое не подразумевает образование или разрыв реальных связей, а скорее похоже на диполь-дипольное взаимодействие, известное как водородная связь . В галогенной связи атом галогена действует как электрофил или ищущий электрон вид и образует слабое электростатическое взаимодействие с нуклеофилом или богатым электронами видом. Нуклеофильный агент в этих взаимодействиях, как правило, является высоко электроотрицательным (например, кислород , азот или сера ) или может быть анионным , несущим отрицательный формальный заряд . По сравнению с водородной связью, атом галогена занимает место частично положительно заряженного водорода в качестве электрофила. [ необходима цитата ]

Галогенные связи не следует путать с галоген-ароматическими взаимодействиями, поскольку они связаны, но различаются по определению. Галоген-ароматические взаимодействия включают в себя богатое электронами ароматическое π-облако в качестве нуклеофила; галогенные связи ограничены одноатомными нуклеофилами. [5]

Силы Ван-дер-Ваальса

Силы Ван-дер-Ваальса являются подмножеством электростатических взаимодействий, включающих постоянные или индуцированные диполи (или мультиполи). Они включают в себя следующее:

Водородные связи и галогенные связи обычно не классифицируются как силы Ван-дер-Ваальса.

Диполь–диполь

Рисунок 2. Диполь-дипольные взаимодействия между двумя молекулами ацетона, при этом частично отрицательный атом кислорода взаимодействует с частично положительным атомом углерода в карбониле.

Диполь-дипольные взаимодействия — это электростатические взаимодействия между постоянными диполями в молекулах. Эти взаимодействия имеют тенденцию выравнивать молекулы для увеличения притяжения (снижая потенциальную энергию ). Обычно диполи связаны с электроотрицательными атомами, включая кислород , азот , серу и фтор .

Например, ацетон , активный ингредиент некоторых средств для снятия лака, имеет чистый диполь, связанный с карбонилом (см. рисунок 2). Поскольку кислород более электроотрицателен, чем ковалентно связанный с ним углерод, электроны, связанные с этой связью, будут ближе к кислороду, чем к углероду, создавая частичный отрицательный заряд (δ − ) на кислороде и частичный положительный заряд (δ + ) на углероде. Они не являются полными зарядами, поскольку электроны все еще совместно используются через ковалентную связь между кислородом и углеродом. Если бы электроны больше не были общими, то связь кислород-углерод была бы электростатическим взаимодействием.

Часто молекулы содержат дипольные группы, но не имеют общего дипольного момента . Это происходит, если внутри молекулы есть симметрия, которая заставляет диполи компенсировать друг друга. Это происходит в таких молекулах, как тетрахлорметан . Обратите внимание, что диполь-дипольное взаимодействие между двумя отдельными атомами обычно равно нулю, поскольку атомы редко несут постоянный диполь. Смотрите атомные диполи .

Дипольно-индуцированный диполь

Дипольно-индуцированное дипольное взаимодействие ( сила Дебая ) возникает из-за приближения молекулы с постоянным диполем к другой неполярной молекуле без постоянного диполя. Это приближение заставляет электроны неполярной молекулы поляризоваться по направлению к диполю или от него (или «индуцировать» диполь) приближающейся молекулы. [13] В частности, диполь может вызывать электростатическое притяжение или отталкивание электронов от неполярной молекулы в зависимости от ориентации входящего диполя. [13] Атомы с большими атомными радиусами считаются более «поляризуемыми» и, следовательно, испытывают большее притяжение в результате силы Дебая. [ требуется цитата ]

Лондон рассеивание сил

Дисперсионные силы Лондона [14] [15] [16] [17] являются самым слабым типом нековалентного взаимодействия. Однако в органических молекулах множество контактов может привести к более значительным вкладам, особенно в присутствии гетероатомов. Они также известны как «индуцированные диполь-индуцированные дипольные взаимодействия» и присутствуют между всеми молекулами, даже теми, которые по своей природе не имеют постоянных диполей. Дисперсионные взаимодействия усиливаются с поляризуемостью взаимодействующих групп, но ослабляются растворителями с повышенной поляризуемостью. [18] Они вызваны временным отталкиванием электронов от электронов соседней молекулы, что приводит к частично положительному диполю на одной молекуле и частично отрицательному диполю на другой молекуле. [6] Гексан является хорошим примером молекулы без полярности или с сильно электроотрицательными атомами, но при комнатной температуре является жидкостью в основном из-за дисперсионных сил Лондона. В этом примере, когда одна молекула гексана приближается к другой, временный, слабый частично отрицательный диполь на входящем гексане может поляризовать электронное облако другого, вызывая частично положительный диполь на этой молекуле гексана. В отсутствие растворителей углеводороды, такие как гексан, образуют кристаллы из-за дисперсионных сил; теплота сублимации кристаллов является мерой дисперсионного взаимодействия. Хотя эти взаимодействия кратковременны и очень слабы, они могут быть ответственны за то, почему некоторые неполярные молекулы являются жидкостями при комнатной температуре.

π-эффекты

π-эффекты можно разбить на многочисленные категории, включая π-стэкинг , катион-π и анион-π взаимодействия , и полярные-π взаимодействия. В общем, π-эффекты связаны с взаимодействиями молекул с π-системами аренов . [3]

π–π взаимодействие

Рисунок 3. Различные способы, которыми бензол может взаимодействовать межмолекулярно. Обратите внимание, однако, что конфигурация сэндвича не является благоприятным взаимодействием по сравнению со смещенным или ребром к лицу

Взаимодействия π–π связаны с взаимодействием между π-орбиталями молекулярной системы. [3] Высокая поляризуемость ароматических колец приводит к дисперсионным взаимодействиям как основному вкладу в так называемые эффекты стекирования . Они играют важную роль во взаимодействиях азотистых оснований, например, в ДНК. [19] Для простого примера, бензольное кольцо с его полностью сопряженным π-облаком будет взаимодействовать двумя основными способами (и одним второстепенным способом) с соседним бензольным кольцом через взаимодействие π–π (см. рисунок 3). Два основных способа, которыми укладываются бензольные кольца, — это ребро к лицу с энтальпией ~ 2 ккал/моль и смещение (или скольжение) с энтальпией ~2,3 ккал/моль. [3] Конфигурация сэндвича не так устойчива, как две упомянутые ранее, из-за высокого электростатического отталкивания электронов на π-орбиталях. [3]

Взаимодействие катиона–π и аниона–π

Рисунок 4

Взаимодействия катион-пи могут быть такими же сильными или даже сильнее, чем водородные связи в некоторых контекстах. [3] [20]

Взаимодействия анион–π очень похожи на взаимодействия катион–π, но обратные. В этом случае анион находится на вершине π-системы с низким содержанием электронов, обычно устанавливаемой за счет присутствия заместителей, оттягивающих электроны, на сопряженной молекуле [21]

Рисунок 5.

Полярный–π

Взаимодействия полярные–π включают молекулы с постоянными диполями (например, вода), взаимодействующие с квадрупольным моментом π-системы (например, в бензоле (см. рисунок 5)). Хотя эти взаимодействия не такие сильные, как взаимодействие катион-π, они могут быть довольно сильными (~1-2 ккал/моль) и обычно участвуют в сворачивании белков и кристаллизации твердых тел, содержащих как водородные связи, так и π-системы. [3] Фактически, любая молекула с донором водородной связи (водород, связанный с высоко электроотрицательным атомом) будет иметь благоприятные электростатические взаимодействия с богатой электронами π-системой сопряженной молекулы. [ требуется ссылка ]

Гидрофобный эффект

Гидрофобный эффект — это стремление неполярных молекул объединяться в водных растворах для отделения от воды. [22] Это явление приводит к минимальной площади поверхности неполярных молекул, открытой для полярных молекул воды (обычно сферических капель), и обычно используется в биохимии для изучения сворачивания белков и других различных биологических явлений. [22] Эффект также часто наблюдается при смешивании различных масел (включая кулинарное масло) и воды. Со временем масло, находящееся на поверхности воды, начнет объединяться в большие сплющенные сферы из более мелких капель, в конечном итоге приводя к пленке всего масла, находящегося на поверхности лужи воды. Однако гидрофобный эффект не считается нековалентным взаимодействием, поскольку он является функцией энтропии, а не специфическим взаимодействием между двумя молекулами, обычно характеризующимся компенсацией энтропии и энтальпии. [23] [24] [25] По существу энтальпийный гидрофобный эффект материализуется, если ограниченное количество молекул воды ограничено внутри полости; Замещение таких молекул воды лигандом освобождает молекулы воды, которые затем в объеме воды обладают максимальным количеством водородных связей, близким к четырем. [26] [27]

Примеры

Разработка лекарств

Большинство фармацевтических препаратов представляют собой небольшие молекулы, которые вызывают физиологическую реакцию путем «связывания» с ферментами или рецепторами , вызывая увеличение или уменьшение способности фермента функционировать. Связывание небольшой молекулы с белком регулируется комбинацией стерических или пространственных соображений в дополнение к различным нековалентным взаимодействиям, хотя некоторые препараты ковалентно модифицируют активный сайт (см. необратимые ингибиторы ). Используя модель «замка и ключа» связывания фермента, препарат (ключ) должен иметь примерно надлежащие размеры, чтобы соответствовать сайту связывания фермента (замку). [28] Используя молекулярный каркас соответствующего размера, препараты также должны взаимодействовать с ферментом нековалентно, чтобы максимизировать константу связывания сродства связывания и уменьшить способность препарата диссоциировать от сайта связывания . Это достигается путем формирования различных нековалентных взаимодействий между малой молекулой и аминокислотами в месте связывания, включая: водородные связи , электростатические взаимодействия , пи-стэкинг , ван-дер-ваальсовы взаимодействия и диполь-дипольные взаимодействия .

Были разработаны нековалентные металлопрепараты. Например, были получены двуядерные тройные спиральные соединения, в которых три лигандные нити обертываются вокруг двух металлов, что приводит к образованию примерно цилиндрического тетракатиона. Эти соединения связываются с менее распространенными структурами нуклеиновых кислот, такими как дуплексная ДНК, Y-образные вилочные структуры и 4-сторонние соединения. [29]

Сворачивание и структура белка

Сворачивание белков из первичной (линейной) последовательности аминокислот в трехмерную структуру направляется всеми типами нековалентных взаимодействий , включая гидрофобные силы и образование внутримолекулярных водородных связей . Трехмерные структуры белков , включая вторичные и третичные структуры , стабилизируются образованием водородных связей. Благодаря серии небольших конформационных изменений пространственная ориентация модифицируется таким образом, чтобы достичь наиболее энергетически минимизированной достижимой ориентации. Сворачивание белков часто облегчается ферментами, известными как молекулярные шапероны . [30] Стерические свойства , напряжение связи и угловое напряжение также играют важную роль в сворачивании белка из его первичной последовательности в его третичную структуру.

Отдельные третичные белковые структуры также могут собираться, образуя белковые комплексы, состоящие из нескольких независимо сложенных субъединиц. В целом это называется четвертичной структурой белка . Четвертичная структура образуется путем образования относительно сильных нековалентных взаимодействий, таких как водородные связи, между различными субъединицами для создания функционального полимерного фермента. [31] Некоторые белки также используют нековалентные взаимодействия для связывания кофакторов в активном центре во время катализа, однако кофактор также может быть ковалентно присоединен к ферменту. Кофакторы могут быть как органическими, так и неорганическими молекулами, которые помогают в каталитическом механизме активного фермента. Прочность, с которой кофактор связан с ферментом, может сильно различаться; нековалентно связанные кофакторы обычно закреплены водородными связями или электростатическими взаимодействиями .

Точки кипения

Нековалентные взаимодействия оказывают существенное влияние на температуру кипения жидкости. Температура кипения определяется как температура, при которой давление паров жидкости равно давлению, окружающему жидкость. Проще говоря, это температура, при которой жидкость становится газом . Как и следовало ожидать, чем сильнее нековалентные взаимодействия, присутствующие в веществе, тем выше его температура кипения. Например, рассмотрим три соединения схожего химического состава: н-бутоксид натрия (C 4 H 9 ONa), диэтиловый эфир (C 4 H 10 O) и н-бутанол (C 4 H 9 OH).

Рисунок 8. Температуры кипения 4-углеродных соединений.

Преобладающие нековалентные взаимодействия, связанные с каждым видом в растворе, перечислены на рисунке выше. Как обсуждалось ранее, ионные взаимодействия требуют значительно больше энергии для разрыва, чем водородные связи , которые, в свою очередь, требуют больше энергии, чем диполь-дипольные взаимодействия . Тенденции, наблюдаемые в их точках кипения (рисунок 8), показывают точно ожидаемую корреляцию, где н-бутоксиду натрия требуется значительно больше тепловой энергии (более высокая температура) для кипения, чем н-бутанол, который кипит при гораздо более высокой температуре, чем диэтиловый эфир. Тепловая энергия, необходимая для перехода соединения из жидкого состояния в газообразное, связана с энергией, необходимой для разрыва межмолекулярных сил, которые каждая молекула испытывает в своем жидком состоянии.

Ссылки

  1. ^ Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J (2000). "Глоссарий". Молекулярная клеточная биология (4-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-3136-8.
  2. ^ ab Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J (2000). "Нековалентные связи". Молекулярная клеточная биология (4-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-3136-8.
  3. ^ abcdefghi Anslyn E (2004). Современная физическая органическая химия . Sausalito, CA: University Science. ISBN 978-1-891389-31-3.
  4. ^ Schalley CA (март 2012). "Введение" (PDF) . Аналитические методы в супрамолекулярной химии (2-е изд.). Wiley. ISBN 978-3-527-32982-3.
  5. ^ ab Cockroft SL, Hunter CA (февраль 2007). «Химические циклы двойных мутаций: анализ нековалентных взаимодействий». Chemical Society Reviews . 36 (2): 172–188. doi :10.1039/b603842p. PMID  17264921.
  6. ^ ab Brown TL, Bursten BE, Eugene H, LeMay H (2009). Химия: Центральная наука (11-е изд.). Upper Saddle River, NJ: Pearson Prentice Hall. ISBN 978-0-13-600617-6.
  7. ^ Eisler M (2010). "Самосборка". Энциклопедия нанонауки и общества . Thousand Oaks, Calif.: Sage. doi :10.4135/9781412972093.n412. ISBN 978-1-4129-7209-3.
  8. ^ Biedermann F, Schneider HJ (май 2016). «Экспериментальные энергии связывания в супрамолекулярных комплексах». Chemical Reviews . 116 (9): 5216–5300. doi :10.1021/acs.chemrev.5b00583. PMID  27136957.
  9. ^ Ciferri A, Perico A, ред. (2012). Ионные взаимодействия в природных и синтетических макромолекулах . John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-52927-0.
  10. ^ Шнайдер HJ (2009). «Механизмы связывания в супрамолекулярных комплексах». Ангеванде Хеми . 48 (22): 3924–3977. дои : 10.1002/anie.200802947. ПМИД  19415701.
  11. ^ Авраам МХ (1993). «Шкалы водородных связей растворенных веществ: их построение и применение к физико-химическим и биохимическим процессам». Chem. Soc. Rev. 22 ( 2): 73–83. doi :10.1039/CS9932200073.
  12. ^ Раевский О.А., Скворцов В.С. (июнь 2005 г.). «Количественная оценка водородных связей в QSAR и молекулярном моделировании». SAR и QSAR в исследованиях окружающей среды . 16 (3): 287–300. Bibcode :2005SQER...16..287R. doi :10.1080/10659360500036893. PMID  15804815. S2CID  34132761.
  13. ^ ab "Induced-Dipole Forces" . Получено 11 ноября 2013 г. .
  14. ^ Шайнер С., изд. (2015). Нековалентные силы . Спрингер. ISBN 978-3-319-14162-6.
  15. ^ Отеро де ла Роза А., ДиЛабио ГА., ред. (2017). Нековалентные взаимодействия в квантовой химии и физике: теория и приложения . Elsevier. ISBN 978-0-12-809835-6.
  16. ^ Махаррамов AM, Махмудов KT, Копылович MN, Помбейро AJ (2016). Нековалентные взаимодействия в синтезе и дизайне новых соединений . Wiley. ISBN 978-1-119-10989-1.
  17. ^ Хобза П., Мюллер-Детлефс К. (2009). Нековалентные взаимодействия: теория и эксперимент . Серия «Теоретическая и вычислительная химия». Королевское химическое общество. ISBN 978-1-84755-853-4.
  18. ^ Schneider HJ (июль 2015 г.). «Дисперсионные взаимодействия в комплексах растворов». Accounts of Chemical Research . 48 (7): 1815–1822. doi :10.1021/acs.accounts.5b00111. PMID  26083908.
  19. ^ Райли К. Э., Хобза П. (апрель 2013 г.). «О важности и происхождении ароматических взаимодействий в химии и биодисциплинах». Accounts of Chemical Research . 46 (4): 927–936. doi :10.1021/ar300083h. PMID  22872015.
  20. ^ Махадеви АС, Шастри GN (март 2013 г.). «Взаимодействие катион-π: его роль и значимость в химии, биологии и материаловедении». Chemical Reviews . 113 (3): 2100–2138. doi :10.1021/cr300222d. PMID  23145968.
  21. ^ Киньонеро Д, Гарау С, Ротгер С, Фронтера А, Баллестер П, Коста А, Дейя ПМ (сентябрь 2002 г.). «Взаимодействия анионов и пи: существуют ли они?». Ангеванде Хеми . 41 (18): 3389–3392. doi :10.1002/1521-3773(20020916)41:18<3389::AID-ANIE3389>3.0.CO;2-S. ПМИД  12298041.
  22. ^ ab IUPAC (2009). "Гидрофобное взаимодействие". Compendium of Chemical Terminology . doi :10.1351/goldbook.H02907. ISBN 978-0-9678550-9-7. Получено 11 ноября 2013 г.
  23. ^ Кронберг Б. (2016). «Гидрофобный эффект». Curr. Opinion Coll. Interface Sci . 22 : 14–22. doi :10.1016/j.cocis.2016.02.001.
  24. ^ Hillyer MB, Gibb BC (май 2016 г.). «Молекулярная форма и гидрофобный эффект». Annual Review of Physical Chemistry . 67 : 307–329. Bibcode : 2016ARPC...67..307H. doi : 10.1146/annurev-physchem-040215-112316. PMC 5571648. PMID  27215816 . 
  25. ^ Ben-Amotz D (май 2016). «Гидрофобные взаимодействия, опосредованные водой». Annual Review of Physical Chemistry . 67 : 617–638. Bibcode : 2016ARPC...67..617B. doi : 10.1146/annurev-physchem-040215-112412 . PMID  27215821.
  26. ^ Snyder PW, Lockett MR, Moustakas DT, Whitesides GM (2014). «Это форма полости или форма воды в полости?». The European Physical Journal Special Topics . 223 (5): 853–891. Bibcode : 2014EPJST.223..853S. doi : 10.1140/epjst/e2013-01818-y. S2CID  17572997.
  27. ^ Biedermann F, Nau WM, Schneider HJ (октябрь 2014 г.). «Повторный взгляд на гидрофобный эффект — исследования с супрамолекулярными комплексами подразумевают высокоэнергетическую воду как нековалентную движущую силу». Angewandte Chemie . 53 (42): 11158–11171. doi :10.1002/anie.201310958. PMID  25070083.
  28. ^ "Биомолекулы: Ферменты". ChemPages Netorials . Университет Висконсина - Мэдисон . Получено 27 октября 2013 г.
  29. ^ Cardo L, Hannon MJ (февраль 2018 г.). Sigel A, Sigel H, Freisinger E, Sigel RK (ред.). "Нековалентные металло-препараты: использование формы для нацеливания на соединения ДНК и РНК и другие структуры нуклеиновых кислот". Ионы металлов в науках о жизни . 18. de Gruyter GmbH: 303–324. doi :10.1515/9783110470734-017. ISBN 978-3-11-047073-4. PMID  29394030.
  30. ^ Voet D, Voet JG (2010). Биохимия (4-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-57095-1.
  31. ^ Silverman RB (2004). Органическая химия разработки и действия лекарств (2-е изд.). Amsterdam [ua]: Elsevier. ISBN 978-0-12-643732-4.