Связка халькогена - Chalcogen bond

А халькогеновая связь является притягивающим взаимодействием в семействе взаимодействий σ-дырок, наряду с водородные связи и галогенные связи.[1][2] Это семейство привлекательных взаимодействий[3] был смоделирован как донор электронов, взаимодействующий с орбиталью σ * связи C-X (X = водород, галоген, халькоген, пниктоген, так далее.). Картирование электронной плотности часто используется для визуализации электронной плотности донора и электрофильной области на акцепторе, называемой σ-дыркой. Связи халькогенов, как и связи водорода и галогена, используются в различных нековалентный взаимодействия, такие как сворачивание белка, кристалл инженерия, самосборка, катализ, транспорт, зондирование, шаблоны и дизайн препарата.[4]

Склеивание

Происхождение

Связывание халькогенов сравнимо с другими формами взаимодействий σ-дырок. Однако конкретный вклад в это взаимодействие все еще остается предметом дискуссий. Содействующие силы можно разбить на разброс /ван дер Ваальс взаимодействия, электростатический взаимодействия и взаимодействия орбитального перемешивания.[5] Эти силы притяжения используются для объяснения различий в прочности связи, связанных с разными парами донор-акцептор. Некоторые утверждают, что электростатические взаимодействия доминируют только в случае более твердых атомов халькогена в качестве акцепторов, в частности O и S.[6][7] Считается, что связывание халькогенов более тяжелых конгенеров группы 16 больше связано с дисперсионными силами. В отдельном лагере эти вклады считаются незначительными по сравнению с орбитальным перемешиванием / делокализацией между донорной n-орбиталью и акцепторной σ * -орбиталью.[5]

Учитывая двойную способность халькогенов служить донорными и акцепторными молекулами для взаимодействий σ-дырок, была создана геометрическая схема, чтобы различить разный характер связывания. Орбиталь σ * находится точно напротив σ-связей с халькогеновой связью. Это область между σ-дырками, в которой неподеленные пары локализуются в донорной области. Эти области были названы нуклеофильным затвором, областями σ-дырки, обедненными электронами, и электрофильным затвором, донорной областью, которая обогащена электронами.[8]

Картина орбитального перемешивания для взаимодействия n → σ *, наблюдаемая в различных взаимодействиях σ-дырок.
Визуализация нуклеофильных и электрофильных ворот на S (CN)2.

Оценка

Цель

Любой донор электронов может отдавать электроны в σ-дырку связанного халькогена, включая анионы галогена, амины и π-электроны (например, бензол). Подобно связыванию галогена, связывание халькогена может происходить между двумя халькогенами, в результате чего образуется связь халькоген-халькоген. Нековалентные взаимодействия хорошо охарактеризованы Бадером. атомы в молекулах (AIM) модель, которая определяет связь как любую критическую точку связи (BCP), существующую между двумя ядрами.[1] Это можно понять просто как седловую точку на карте электронной плотности молекулы. И водородные, и галогенные связи хорошо охарактеризованы этим методом. Такой же анализ был проведен для халькогенных связей, как показано ниже. BCP между S и Cl− в этих молекулах свидетельствуют о нековалентных взаимодействиях, в данном случае связях халькоген-галоген.[9]

Анализ атомов в молекулах (AIM) в различных системах, содержащих связи халькоген-галоген. Критические точки связи (BCP) свидетельствуют о халькогенной связи между S и Cl−.

NBO

Другой метод, используемый для конкретной оценки связывания халькогенов и широкого диапазона связывания, - это орбиталь естественной связи (NBO) анализ.[1] NBO-анализ различает ковалентные, связывающие взаимодействия типа Льюиса и нековалентные, не связанные с Льюисом взаимодействия. Связь халькогена будет оцениваться на основе естественной заселенности орбитали n → σ *. Более высокая населенность этой орбитали также должна отражаться на изменениях в геометрии.

Геометрия

И электростатическое картирование, и объяснение молекулярных орбиталей связывания халькогенов приводят к предсказанной направленности связывающего взаимодействия. В водородной или галогенной связи электрофильная область / σ * -орбиталь расположена напротив σ-связи, образуя одну σ-дырку. Таким образом, оптимальные водородные или галогенные связи имеют линейную геометрию. Связывание халькогенов является результатом того же взаимодействия. Тем не менее, халькогены могут образовывать несколько сигма-связей и, таким образом, несколько σ-дырок для образования таких связывающих взаимодействий. Оценки рентгеновские кристаллические структуры или определения структуры на основе колебательная спектроскопия может предоставить доказательства связи халькогенов на основе близости и ориентации атомов. Обзоры Кембриджская структурная база данных выявили высокую частоту вероятных взаимодействий связывания халькогенов в белковых структурах и твердотельных кристаллах молекул.[10][11]

H-связывание против связывания халькогенов

Благодаря способности халькогена функционировать как донор электронов, многие системы будут балансировать между водородными связями с халькогенами как донорами или халькогенными связями.[6][12] Этот баланс можно наблюдать в серии самосвязывающихся межмолекулярных взаимодействий между различными замещенными халькогенами. В случаях, когда в качестве акцепторов используются жесткие атомы халькогена, баланс благоприятствует образованию водородных связей между халькогеном и метилом Н. Однако, когда акцепторные атомы перемещаются вниз по группе, связь халькоген-халькоген будет благоприятствовать. Предполагается, что электростатические силы должны доминировать только в связи халькоген-халькоген с более легкими конгенерами, а вместо этого в случае более тяжелых конгенеров преобладают дисперсионные силы.

Средством сравнения сил связывания халькоген-халькоген с водородной связью является сравнение влияния различных окружающих сред растворителей на связь халькоген-халькоген. Это было сделано на серии молекул, имеющих внутримолекулярную связь халькоген-халькоген в одной конформации (закрытая) и подверженных взаимодействиям с растворителем в другой (открытая). Одно из таких исследований показало, что предпочтение закрытой конформации почти не зависело от среды растворителя.[5] Это означало, что изменения дипольного момента растворителя, поляризуемости или характера водородных связей не влияли на баланс между связыванием халькоген-халькоген и взаимодействиями растворителя. Такой вывод означал бы, что дисперсионные силы и электростатические силы, участвующие в связывании халькогена и халькогена, не оказывают существенного влияния на взаимодействие. Вместо этого это означало бы, что орбитальное взаимодействие доминирует над связывающим взаимодействием.

Приложения

Был предложен широкий спектр приложений для создания халькогеновых связей в системах, где слабые взаимодействия имеют решающее значение. Это может включать области, зависящие от конкретного распознавания или молекул, что-то вроде модель замка и ключа, как видно из дизайна лекарств, зондирования и высокоселективного катализа. Дополнительные приложения находятся в твердое состояние и материаловедение где особая упаковка молекул может существенно повлиять на объемные свойства.

Дизайн лекарств

Дизайн лекарств - это широкий кругозор, который включает молекулярный дизайн для изменения биологически значимых характеристик. Что касается слабых взаимодействий, дизайн направлен на настройку стыковки лигандов / связывания лекарств с биологически релевантными молекулами или белками и связанных биологических эффектов от различных способов связывания. Слабое взаимодействие, определяющее специфическое связывание, может быть межатомным между мишенью и лекарством, или они могут быть внутримолекулярными в самом лекарстве, обычно влияя на конформационные предпочтения. Известно очень мало примеров межмолекулярного связывания халькогенов между лекарством и его мишенью. Однако явные конформационные предпочтения были продемонстрированы в молекулах лекарственных средств, которые объясняются стабилизацией от взаимодействий связывания халькогенов. Чаще всего они включают гетероциклы халькогена в качестве акцепторов халькогенных связей.[13]

Конформационное предпочтение может быть получено из различных классов внутримолекулярных халькогенных связей, включая взаимодействия 1,4, 1,5 и 1,6 O ••• S, взаимодействия 1,4 и 1,5 N ••• S и S ••• ароматические взаимодействия. Каждый класс этих взаимодействий состоит из больших классов лекарств, в которых связывание халькогенов привело к разнице в эффективности некоторых соединений до 1500 раз.[14] Предполагается, что внутримолекулярное связывание халькогена конкурирует с межмолекулярными взаимодействиями, поскольку двухвалентная сера будет направлять σ * -орбитали под углами, фланкирующими молекулу, а не прямо наружу, как это видно при связывании галогена.[13]

Катализ

Связывание халькогенов в катализе использовалось для предварительного ориентирования субстрата, обеспечивая асимметричный / стереоселективный катализ на предпочтительной конформации субстрата. Примеры включают асимметричный перенос ацила на энантиомерную смесь, катализируемый хиральной изотиомочевиной. Ацильная группа сначала переносится на хиральный катализатор, который, как предполагается, проходит через переходное состояние с 1,5-халькогенным связывающим взаимодействием на катализаторе, которое ориентирует ацильную группу до переноса на субстрат. Это привело к ацилированию одного энантиомера субстрата и обогащению оставшегося субстрата другим энантиомером.[15] Подобные взаимодействия были вызваны стереоселективными добавками Майкла и β-лактонизациями.[16]

Стереоселективный перенос ацила через изотиомочевинный катализатор.

использованная литература

  1. ^ а б c Коларж, Михал Х .; Хобза, Павел (2016-05-11). «Компьютерное моделирование галогенных связей и других взаимодействий σ-дырок». Химические обзоры. 116 (9): 5155–5187. arXiv:1708.09244. Дои:10.1021 / acs.chemrev.5b00560. ISSN  0009-2665. PMID  26840433. S2CID  12524121.
  2. ^ Сцилабра, Патрик; Терранео, Джанкарло; Реснати, Джузеппе (13.05.2019). «Халькогеновая связь в кристаллических твердых телах: мир, параллельный галогенной связи». Отчеты о химических исследованиях. 52 (5): 1313–1324. Дои:10.1021 / acs.accounts.9b00037.
  3. ^ Кавалло, Габриэлла; Метранголо, Пьеранджело; Пилати, Туллио; Реснати, Джузеппе; Терранео, Джанкарло (2016-04-15). «Именование взаимодействий с электрофильного сайта». Рост кристаллов и дизайн. 14 (6): 2697–2702. Дои:10.1021 / cg5001717. ISSN  1528-7483.
  4. ^ Чжао, Инцзе; Котель, Йоанн; Сакаи, Наоми; Матил, Стефан (2016-04-06). «Неортодоксальные взаимодействия в действии». Журнал Американского химического общества. 138 (13): 4270–4277. Дои:10.1021 / jacs.5b13006. ISSN  0002-7863. PMID  26975805.
  5. ^ а б c Паско, Доминик Дж .; Линг, Кеннет Б.; Кокрофт, Скотт Л. (25 октября 2017 г.). «Происхождение халькоген-связывающих взаимодействий» (PDF). Журнал Американского химического общества. 139 (42): 15160–15167. Дои:10.1021 / jacs.7b08511. ISSN  0002-7863. PMID  28985065.
  6. ^ а б Блейхолдер, Кристиан; Глейтер, Рольф; Werz, Daniel B .; Кеппель, Хорст (2007-03-01). "Теоретические исследования гетероядерных взаимодействий халькоген-халькоген: о природе слабых связей между центрами халькогенов". Неорганическая химия. 46 (6): 2249–2260. Дои:10.1021 / ic062110y. ISSN  0020-1669. PMID  17311376.
  7. ^ Блейхолдер, Кристиан; Werz, Daniel B .; Кеппель, Хорст; Глейтер, Рольф (01.03.2006). «Теоретические исследования взаимодействий халькоген-халькоген: что делает эти несвязанные взаимодействия связующими?». Журнал Американского химического общества. 128 (8): 2666–2674. Дои:10.1021 / ja056827g. ISSN  0002-7863. PMID  16492053.
  8. ^ Алихани, Эсмаил; Фустер, Франк; Мадебене, Бруно; Грабовский, Славомир Я. (13 января 2014 г.). «Топологические участки реакции - очень прочные халькогенные связи». Phys. Chem. Chem. Phys. 16 (6): 2430–2442. Bibcode:2014PCCP ... 16.2430A. Дои:10.1039 / c3cp54208d. ISSN  1463-9084. PMID  24358473.
  9. ^ Ван, Вэйчжоу; Цзи, Баомин; Чжан, Ю (2009-07-16). «Халькогеновая связь: родственная нековалентная связь с галогенной связью». Журнал физической химии A. 113 (28): 8132–8135. Bibcode:2009JPCA..113.8132W. Дои:10.1021 / jp904128b. ISSN  1089-5639. PMID  19537765.
  10. ^ Бауза, Антонио; Киньонеро, Давид; Deyà, Pere M .; Фронтера, Антонио (27 марта 2013 г.). «Связывание галогенов против связывания халькогенов и пникогенов: объединенная база данных структур Кембриджа и теоретическое исследование». CrystEngComm. 15 (16): 3137–3144. Дои:10.1039 / c2ce26741a. ISSN  1466-8033.
  11. ^ Иваока, Мичио; Такемото, Шинья; Томода, Сюдзи (01.09.2002). «Статистические и теоретические исследования направленности несвязанных S ··· O взаимодействий. Последствия для молекулярного дизайна и белковой инженерии». Журнал Американского химического общества. 124 (35): 10613–10620. Дои:10.1021 / ja026472q. ISSN  0002-7863. PMID  12197764.
  12. ^ Санс, Пабло; Яньес, Мануэль; Мо, Отилия (2002-05-01). «Конкуренция между X ··· H ··· Y внутримолекулярными водородными связями и X ···· Y (X = O, S и Y = Se, Te) взаимодействиями халькоген-халькоген». Журнал физической химии A. 106 (18): 4661–4668. Bibcode:2002JPCA..106.4661S. Дои:10.1021 / jp0143645. ISSN  1089-5639.
  13. ^ а б Beno, Brett R .; Юнг, Кап-Сун; Бартбергер, Майкл Д .; Pennington, Lewis D .; Мэнвелл, Николас А. (11.06.2015). «Обзор роли взаимодействий нековалентной серы в разработке лекарств». Журнал медицинской химии. 58 (11): 4383–4438. Дои:10.1021 / jm501853m. ISSN  0022-2623. PMID  25734370.
  14. ^ Чжао, Ляньюнь; Чжан, Инсинь; Дай, Чаоян; Гузи, Тимофей; Уисвелл, Дерек; Сегеззи, Вольфганг; Парри, Дэвид; Фишманн, Тьерри; Сиддики, М. Аршад (2010). «Дизайн, синтез и SAR тиенопиридинов как мощных ингибиторов CHK1». Письма по биоорганической и медицинской химии. 20 (24): 7216–7221. Дои:10.1016 / j.bmcl.2010.10.105. PMID  21074424.
  15. ^ Бирман, Владимир Б .; Ли, Ксимин (1 марта 2006 г.). «Бензотетрамизол: чрезвычайно энантиоселективный катализатор переноса ацила». Органические буквы. 8 (7): 1351–1354. Дои:10.1021 / ol060065s. ISSN  1523-7060. PMID  16562889.
  16. ^ Leverett, Carolyn A .; Purohit, Vikram C .; Ромо, Даниэль (2010-12-03). «Энантиоселективные, органокатализируемые, внутримолекулярные лактонизации альдолов с кетокислотами, приводящие к би- и трициклическим β-лактонам и трансформациям с морфингом топологии». Angewandte Chemie International Edition. 49 (49): 9479–9483. Дои:10.1002 / anie.201004671. ISSN  1521-3773. PMID  21053228.