Халькогенная связь

В химии ( халькогенная связь ХБ ) — притягивающее взаимодействие в семействе σ-дырочных взаимодействий , наряду с галогенными связями . ^[1]^[2] электростатические условия Было установлено, что , условия переноса заряда (CT) и дисперсии способствуют этому типу взаимодействия. С точки зрения вклада CT, это семейство притягивающих взаимодействий ^[3] моделировался как донор электронов (акцептор связи), взаимодействующий с σ*-орбиталью связи CX (X = водород , галоген , халькоген , пниктоген и т. д.) донора связи. Что касается электростатических взаимодействий, карты молекулярного электростатического потенциала (MEP) часто используются для визуализации электронной плотности донора и электрофильной области на акцепторе, где потенциал истощен, называемой σ-дыркой. ChBs, во многом подобно водородным и галогенным связям, используются в различных нековалентных взаимодействиях, таких как сворачивание белков , инженерия кристаллов , самосборка , катализ , транспорт, сенсорное восприятие, шаблонизация и разработка лекарств . ^[4]

Склеивание

Источник

Халькогенная связь сравнима с другими формами взаимодействия σ-дырок. Однако конкретный вклад в это взаимодействие до сих пор остается предметом дискуссий. Содействующие силы можно разбить на взаимодействия дисперсии / Ван-дер-Ваальса , электростатические взаимодействия и взаимодействия орбитального смешивания (CT). ^[5] Эти способствующие силы притяжения используются для объяснения различий в силе связи, связанных с разными парами донор-акцептор. Некоторые авторы утверждают, что электростатические взаимодействия доминируют только в случае более твердых атомов халькогена в качестве акцепторов, в частности O и S. ^[6]^[7] Считается, что халькогенная связь более тяжелых конгенеров группы 16 в большей степени обусловлена дисперсионными силами. В отдельном лагере эти вклады считаются незначительными по сравнению с орбитальным смешиванием/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, позволяющая различать различные характеры связи. Орбиталь σ* расположена точно напротив связи σ с халькогенной связью. Это область между σ-дырками, в которой локализуются неподеленные пары в донорной области. Эти области называются нуклеофильными воротами, областями σ-дырок, которые обеднены электронами, и электрофильными воротами, донорной областью, обогащенной электронами. ^[8]

Оценка

ЦЕЛЬ

Любой донор электронов может отдавать электроны в σ-дырку связанного халькогена, включая анионы галогенов, амины и π-электроны (например, бензол). Подобно галогенной связи, халькогенная связь может возникать между двумя халькогенами, что приводит к образованию халькоген-халькогенной связи. Нековалентные взаимодействия хорошо характеризуются моделью Бейдера « Атомы в молекулах » (AIM), которая определяет связь как любую критическую точку связи (BCP), существующую между двумя ядрами. ^[1] Это можно понимать просто как седловую точку на карте электронной плотности молекулы. Этим методом хорошо характеризуются водородные и галогенные связи. Тот же анализ был проведен для халькогенных связей, как показано ниже. BCP между S и Cl ⁻ в этих молекулах являются свидетельством нековалентных взаимодействий, в данном случае связей халькоген-галоген. ^[9]

ПРИХОДЯЩИЙ

Другим методом, используемым для оценки конкретно халькогенных связей и широкого спектра связей в целом, является естественных орбиталей связи (NBO). анализ ^[1] NBO-анализ различает ковалентные связывающие взаимодействия типа Льюиса и нековалентные связывающие взаимодействия не-Льюиса. Халькогенная связь будет оцениваться на основе естественной заселенности орбитали n → σ*. Тогда более высокая заселенность этой орбитали также должна отразиться на изменениях геометрии.

Геометрия

И электростатическое картирование, и объяснение молекулярных орбиталей халькогенной связи 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. Халькогенная связь является результатом того же взаимодействия. Однако халькогены могут образовывать несколько сигма-связей и, следовательно, несколько σ-дырок для образования таких связывающих взаимодействий. Оценка рентгеновских кристаллических структур или определение структуры на основе колебательной спектроскопии могут предоставить доказательства наличия халькогенных связей на основе близости и ориентации атомов. Исследования Кембриджской структурной базы данных выявили высокую частоту вероятных взаимодействий халькогенных связей в белковых структурах и твердотельных кристаллах молекул. ^[10]^[11]

Н-связь против халькогенной связи

Благодаря способности халькогена функционировать в качестве донора электронов, многие системы будут балансировать между водородными связями с халькогеном в качестве донора или халькогенными связями. ^[6]^[12] Этот баланс можно наблюдать в серии самосвязывающих межмолекулярных взаимодействий между различными замещенными халькогенами. В случаях с жесткими атомами халькогена в качестве акцепторов баланс благоприятствует Н-связи между халькогеном и метилом H. Однако по мере того, как атомы акцептора перемещаются вниз по группе, халькоген-халькогенная связь будет благоприятствовать. Предполагается, что электростатические силы должны доминировать только в связи халькоген-халькоген с более легкими соединениями, а вместо этого дисперсионные силы доминируют в случае более тяжелых соединений.

Способ сравнения сил связи халькоген-халькоген с водородной связью заключается в сравнении влияния различных сред растворителей на связь халькоген-халькоген. Это было сделано на ряде молекул, имеющих внутримолекулярную связь халькоген-халькоген в одной конформации (закрытой) и подвергающихся взаимодействию с растворителем в другой (открытой). Одно из таких исследований показало, что предпочтение закрытой конформации практически не зависит от среды растворителя. ^[5] Это означало, что изменения дипольного момента растворителя, поляризуемости или характера Н-связи не влияют на баланс между халькоген-халькогенной связью и взаимодействиями растворителя. Такой вывод будет означать, что дисперсионные силы и электростатические силы, участвующие в образовании халькоген-халькогенной связи, 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 халькогенных связей в системах, где слабые взаимодействия имеют решающее значение. Это может включать в себя области, зависящие от конкретного распознавания или молекул, что-то вроде модели «замок и ключ» , как это видно при разработке лекарств, распознавании и высокоселективном катализе. Дополнительные применения находятся в области твердого тела и материаловедения , где определенная упаковка молекул может существенно повлиять на объемные свойства.

Дизайн лекарств

Дизайн лекарств – это широкий термин, включающий молекулярный дизайн для изменения биологически значимых характеристик. Что касается слабых взаимодействий, конструкция направлена на настройку стыковки/связывания лигандов лекарств с биологически значимыми молекулами или белками и связанных с ними биологических эффектов от различных способов связывания. Слабое взаимодействие, определяющее специфическое связывание, может быть межатомным между мишенью и лекарственным средством или внутримолекулярным в самом лекарственном средстве, что обычно влияет на конформационные предпочтения. Известно очень мало примеров межмолекулярной связи халькогена между лекарственным средством и его мишенью. Однако в молекулах лекарств были показаны явные конформационные предпочтения, которые объясняются стабилизацией за счет взаимодействий халькогенных связей. Чаще всего в качестве акцепторов халькогенной связи используются халькогенные гетероциклы. ^[13]

Конформационное предпочтение может быть обусловлено различными классами внутримолекулярных халькогенных связей, включая 1,4, 1,5 и 1,6 взаимодействия O•••S, 1,4 и 1,5 взаимодействия N•••S и S •••ароматические взаимодействия. Каждый класс этих взаимодействий состоит из больших классов лекарств, в которых халькогенная связь приводит к 1500-кратной разнице в эффективности некоторых соединений. ^[14] Предполагается, что внутримолекулярное образование халькогенных связей конкурирует с межмолекулярными взаимодействиями, поскольку двухвалентная сера будет направлять σ*-орбитали под углами, окружающими молекулу, а не прямо наружу, как это наблюдается при галогенных связях. ^[13]

Катализ

Халькогенная связь в катализе использовалась для предварительной ориентации субстрата, что позволяло осуществлять асимметричный / стереоселективный катализ в предпочтительной конформации субстрата. Примеры включают асимметричный перенос ацила на энантиомерной смеси, катализируемый хиральной изотиомочевиной. Ацильная группа сначала переносится на хиральный катализатор, который, как предполагается, проходит через переходное состояние, характеризующееся взаимодействием 1,5-халькогенной связи на катализаторе, которое ориентирует ацильную группу перед переносом на подложку. В результате один энантиомер субстрата ацилировался, а оставшийся субстрат обогащался другим энантиомером. ^[15] Подобные взаимодействия наблюдались при стереоселективном присоединении по Михаэлю и β-лактонизации. ^[16]

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Коларж, Михал Х.; Хобза, Павел (11 мая 2016 г.). «Компьютерное моделирование галогенных связей и других взаимодействий σ-дырок». Химические обзоры . 116 (9): 5155–5187. arXiv : 1708.09244 . doi : 10.1021/acs.chemrev.5b00560 . ISSN 0009-2665 . ПМИД 26840433 . S2CID 12524121 .
^ Сцилабра, Патрик; Терранео, Джанкарло; Реснати, Джузеппе (13 мая 2019 г.). «Халькогенная связь в кристаллических твердых телах: мир, параллельный галогенной связи». Отчеты о химических исследованиях . 52 (5): 1313–1324. doi : 10.1021/acs.accounts.9b00037 . ПМИД 31082186 .
^ Лошадь, Габриэлла; Метранголо, Пьеранджело; Пилати, Туллио; Реснати, Джузеппе; Терранео, Джанкарло (15 апреля 2016 г.). «Именование взаимодействий с электрофильного сайта». Рост и дизайн кристаллов . 14 (6): 2697–2702. дои : 10.1021/cg5001717 . hdl : 11311/844599 . ISSN 1528-7483 .
^ Чжао, Инцзе; Котель, Йоанн; Сакаи, Наоми; Матиле, Стефан (06 апреля 2016 г.). «Нестандартное взаимодействие на работе» . Журнал Американского химического общества . 138 (13): 4270–4277. дои : 10.1021/jacs.5b13006 . ISSN 0002-7863 . ПМИД 26975805 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Паско, Доминик Дж.; Линг, Кеннет Б.; Кокрофт, Скотт Л. (25 октября 2017 г.). «Происхождение взаимодействий, связывающих халькоген» (PDF) . Журнал Американского химического общества . 139 (42): 15160–15167. дои : 10.1021/jacs.7b08511 . ISSN 0002-7863 . ПМИД 28985065 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Блейхолдер, Кристиан; Глейтер, Рольф; Верц, Дэниел Б.; Кеппель, Хорст (01 марта 2007 г.). «Теоретические исследования гетероядерных халькоген-халькогенных взаимодействий: о природе слабых связей между халькогенными центрами». Неорганическая химия . 46 (6): 2249–2260. дои : 10.1021/ic062110y . ISSN 0020-1669 . ПМИД 17311376 .
^ Блейхолдер, Кристиан; Верц, Дэниел Б.; Кеппель, Хорст; Глейтер, Рольф (1 марта 2006 г.). «Теоретические исследования взаимодействий халькоген-халькоген: что делает эти несвязанные взаимодействия связывающими?». Журнал Американского химического общества . 128 (8): 2666–2674. дои : 10.1021/ja056827g . ISSN 0002-7863 . ПМИД 16492053 .
^ Алихани, Эсмаил; Фустер, Франк; Мадебене, Бруно; Грабовский, Славомир Ю. (13 января 2014 г.). «Топологические реакционные центры - очень прочные халькогенные связи». Физ. хим. хим. Физ . 16 (6): 2430–2442. Бибкод : 2014PCCP...16.2430A . дои : 10.1039/c3cp54208d . ISSN 1463-9084 . ПМИД 24358473 .
^ Ван, Вэйчжоу; Цзи, Баомин; Чжан, Ю (16 июля 2009 г.). «Халькогенная связь: сестринская нековалентная связь с галогенной связью». Журнал физической химии А. 113 (28): 8132–8135. Бибкод : 2009JPCA..113.8132W . дои : 10.1021/jp904128b . ISSN 1089-5639 . ПМИД 19537765 .
^ Бауза, Антонио; Киньонеро, Дэвид; Дейя, Пере М.; Фронтера, Антонио (27 марта 2013 г.). «Галогенная связь по сравнению с халькогенной и пникогенной связью: объединенная Кембриджская структурная база данных и теоретическое исследование». CrystEngComm . 15 (16): 3137–3144. дои : 10.1039/c2ce26741a . ISSN 1466-8033 .
^ Иваока, Мичио; Такемото, Шинья; Томода, Сюдзи (1 сентября 2002 г.). «Статистические и теоретические исследования направленности несвязанных взаимодействий S···O. Значение для молекулярного дизайна и белковой инженерии». Журнал Американского химического общества . 124 (35): 10613–10620. дои : 10.1021/ja026472q . ISSN 0002-7863 . ПМИД 12197764 .
^ Санс, Пабло; Яньес, Мануэль; Мо, Отилия (01 мая 2002 г.). «Конкуренция между внутримолекулярными водородными связями X···H···Y и взаимодействиями халькоген-халькоген X····Y (X = O, S и Y = Se, Te)». Журнал физической химии А. 106 (18): 4661–4668. Бибкод : 2002JPCA..106.4661S . дои : 10.1021/jp0143645 . ISSN 1089-5639 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Бено, Бретт Р.; Юнг, Кап-Сун; Бартбергер, Майкл Д.; Пеннингтон, Льюис Д.; Минвелл, Николас А. (11 июня 2015 г.). «Обзор роли нековалентных взаимодействий серы в разработке лекарств». Журнал медицинской химии . 58 (11): 4383–4438. дои : 10.1021/jm501853m . ISSN 0022-2623 . ПМИД 25734370 .
^ Чжао, Ляньюнь; Чжан, Инсинь; Дай, Чаоян; Гузи, Тимофей; Уисвелл, Дерек; Сегецци, Вольфганг; Парри, Дэвид; Фишманн, Тьерри; Сиддики, М. Аршад (2010). «Разработка, 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 . ПМИД 21074424 .
^ Бирман, Владимир Б.; Ли, Симинь (01 марта 2006 г.). «Бензотетрамизол: удивительно энантиоселективный катализатор переноса ацила». Органические письма . 8 (7): 1351–1354. дои : 10.1021/ol060065s . ISSN 1523-7060 . ПМИД 16562889 .
^ Леверетт, Кэролайн А.; Пурохит, Викрам К.; Ромо, Дэниел (3 декабря 2010 г.). «Энантиоселективные, органокализируемые, внутримолекулярные альдольные лактонизации с кетокислотами, приводящие к би- и трициклическим β-лактонам и трансформациям топологии». Angewandte Chemie, международное издание . 49 (49): 9479–9483. дои : 10.1002/anie.201004671 . ISSN 1521-3773 . ПМИД 21053228 .

[:0-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с Коларж, Михал Х.; Хобза, Павел (11 мая 2016 г.). «Компьютерное моделирование галогенных связей и других взаимодействий σ-дырок». Химические обзоры . 116 (9): 5155–5187. arXiv : 1708.09244 . doi : 10.1021/acs.chemrev.5b00560 . ISSN 0009-2665 . ПМИД 26840433 . S2CID 12524121 .

[2] Сцилабра, Патрик; Терранео, Джанкарло; Реснати, Джузеппе (13 мая 2019 г.). «Халькогенная связь в кристаллических твердых телах: мир, параллельный галогенной связи». Отчеты о химических исследованиях . 52 (5): 1313–1324. doi : 10.1021/acs.accounts.9b00037 . ПМИД 31082186 .

[3] Лошадь, Габриэлла; Метранголо, Пьеранджело; Пилати, Туллио; Реснати, Джузеппе; Терранео, Джанкарло (15 апреля 2016 г.). «Именование взаимодействий с электрофильного сайта». Рост и дизайн кристаллов . 14 (6): 2697–2702. дои : 10.1021/cg5001717 . hdl : 11311/844599 . ISSN 1528-7483 .

[4] Чжао, Инцзе; Котель, Йоанн; Сакаи, Наоми; Матиле, Стефан (06 апреля 2016 г.). «Нестандартное взаимодействие на работе» . Журнал Американского химического общества . 138 (13): 4270–4277. дои : 10.1021/jacs.5b13006 . ISSN 0002-7863 . ПМИД 26975805 .

[:1-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с Паско, Доминик Дж.; Линг, Кеннет Б.; Кокрофт, Скотт Л. (25 октября 2017 г.). «Происхождение взаимодействий, связывающих халькоген» (PDF) . Журнал Американского химического общества . 139 (42): 15160–15167. дои : 10.1021/jacs.7b08511 . ISSN 0002-7863 . ПМИД 28985065 .

[:2-6] Перейти обратно: ^а ^б Блейхолдер, Кристиан; Глейтер, Рольф; Верц, Дэниел Б.; Кеппель, Хорст (01 марта 2007 г.). «Теоретические исследования гетероядерных халькоген-халькогенных взаимодействий: о природе слабых связей между халькогенными центрами». Неорганическая химия . 46 (6): 2249–2260. дои : 10.1021/ic062110y . ISSN 0020-1669 . ПМИД 17311376 .

[7] Блейхолдер, Кристиан; Верц, Дэниел Б.; Кеппель, Хорст; Глейтер, Рольф (1 марта 2006 г.). «Теоретические исследования взаимодействий халькоген-халькоген: что делает эти несвязанные взаимодействия связывающими?». Журнал Американского химического общества . 128 (8): 2666–2674. дои : 10.1021/ja056827g . ISSN 0002-7863 . ПМИД 16492053 .

[:4-8] Алихани, Эсмаил; Фустер, Франк; Мадебене, Бруно; Грабовский, Славомир Ю. (13 января 2014 г.). «Топологические реакционные центры - очень прочные халькогенные связи». Физ. хим. хим. Физ . 16 (6): 2430–2442. Бибкод : 2014PCCP...16.2430A . дои : 10.1039/c3cp54208d . ISSN 1463-9084 . ПМИД 24358473 .

[9] Ван, Вэйчжоу; Цзи, Баомин; Чжан, Ю (16 июля 2009 г.). «Халькогенная связь: сестринская нековалентная связь с галогенной связью». Журнал физической химии А. 113 (28): 8132–8135. Бибкод : 2009JPCA..113.8132W . дои : 10.1021/jp904128b . ISSN 1089-5639 . ПМИД 19537765 .

[10] Бауза, Антонио; Киньонеро, Дэвид; Дейя, Пере М.; Фронтера, Антонио (27 марта 2013 г.). «Галогенная связь по сравнению с халькогенной и пникогенной связью: объединенная Кембриджская структурная база данных и теоретическое исследование». CrystEngComm . 15 (16): 3137–3144. дои : 10.1039/c2ce26741a . ISSN 1466-8033 .

[11] Иваока, Мичио; Такемото, Шинья; Томода, Сюдзи (1 сентября 2002 г.). «Статистические и теоретические исследования направленности несвязанных взаимодействий S···O. Значение для молекулярного дизайна и белковой инженерии». Журнал Американского химического общества . 124 (35): 10613–10620. дои : 10.1021/ja026472q . ISSN 0002-7863 . ПМИД 12197764 .

[12] Санс, Пабло; Яньес, Мануэль; Мо, Отилия (01 мая 2002 г.). «Конкуренция между внутримолекулярными водородными связями X···H···Y и взаимодействиями халькоген-халькоген X····Y (X = O, S и Y = Se, Te)». Журнал физической химии А. 106 (18): 4661–4668. Бибкод : 2002JPCA..106.4661S . дои : 10.1021/jp0143645 . ISSN 1089-5639 .

[:3-13] Перейти обратно: ^а ^б Бено, Бретт Р.; Юнг, Кап-Сун; Бартбергер, Майкл Д.; Пеннингтон, Льюис Д.; Минвелл, Николас А. (11 июня 2015 г.). «Обзор роли нековалентных взаимодействий серы в разработке лекарств». Журнал медицинской химии . 58 (11): 4383–4438. дои : 10.1021/jm501853m . ISSN 0022-2623 . ПМИД 25734370 .

[14] Чжао, Ляньюнь; Чжан, Инсинь; Дай, Чаоян; Гузи, Тимофей; Уисвелл, Дерек; Сегецци, Вольфганг; Парри, Дэвид; Фишманн, Тьерри; Сиддики, М. Аршад (2010). «Разработка, 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 . ПМИД 21074424 .

[15] Бирман, Владимир Б.; Ли, Симинь (01 марта 2006 г.). «Бензотетрамизол: удивительно энантиоселективный катализатор переноса ацила». Органические письма . 8 (7): 1351–1354. дои : 10.1021/ol060065s . ISSN 1523-7060 . ПМИД 16562889 .

[16] Леверетт, Кэролайн А.; Пурохит, Викрам К.; Ромо, Дэниел (3 декабря 2010 г.). «Энантиоселективные, органокализируемые, внутримолекулярные альдольные лактонизации с кетокислотами, приводящие к би- и трициклическим β-лактонам и трансформациям топологии». Angewandte Chemie, международное издание . 49 (49): 9479–9483. дои : 10.1002/anie.201004671 . ISSN 1521-3773 . ПМИД 21053228 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]