Кіріспе
Электрондарды бөліспейтін химиялық байланыс. Химияда ковалентті емес өзара әрекеттесу, ковалентті байланыстан электрондарды бөліспеуімен ерекшеленеді, керісінше молекулалар арасындағы немесе молекула ішіндегі электромагниттік өзара әрекеттесудің тараған түрлерін қамтиды. Ковалентті емес өзара әрекеттесулердің пайда болуы кезінде бөлінетін химиялық энергия әдетте 1–5 ккал/моль (6,02 молекулаға 1000–5000 калория) шамасында болады. Ковалентті емес өзара әрекеттесулерді электростатикалық, π-эффектілер, Ван дер Ваальс күштері және гидрофобтық эффектілер сияқты түрлі категорияларға жіктеуге болады. Бұл өзара әрекеттесулер ақуыздар және нуклеин қышқылдары сияқты ірі молекулалардың үш өлшемді құрылымын сақтауда маңызды рөл атқарады. Олар сондай-ақ ірі молекулалардың бір-бірімен нақты, бірақ уақытша байланысатын көптеген биологиялық процестерге қатысады (ДНҚ бетінің қасиеттері бөлімін қараңыз). Бұл өзара әрекеттесулер сонымен қатар дәрі-дәрмектерді жасауға, кристаллизацияға және материалдарды, әсіресе өздігінен құрастыруға, сондай-ақ көптеген органикалық молекулаларды синтездеуге елеулі әсер етеді. Ковалентті емес өзара әрекеттесулер бір молекуланың әртүрлі бөліктері арасында (мысалы, ақуыз бүктелуі кезінде) немесе әртүрлі молекулалар арасында жүруі мүмкін, сондықтан олар молекулааралық күштер ретінде де қарастырылады.
In chemistry, a non covalent interaction differs from a covalent bond in that it does not involve the sharing of electrons, but rather involves more dispersed variations of electromagnetic interactions between molecules or within a molecule. The chemical energy released in the formation of non covalent interactions is typically on the order of 1–5 kcal/mol (1000–5000 calories per 6.02 molecules). Non covalent interactions can be classified into different categories, such as electrostatic, π effects, van der Waals forces, and hydrophobic effects. are critical in maintaining the three dimensional structure of large molecules, such as proteins and nucleic acids. They are also involved in many biological processes in which large molecules bind specifically but transiently to one another (see the properties section of the DNA page). These interactions also heavily influence drug design, crystallinity and design of materials, particularly for self assembly, and, in general, the synthesis of many organic molecules. The non covalent interactions may occur between different parts of the same molecule (e. g. during protein folding) or between different molecules and therefore are discussed also as intermolecular forces.
Ионикалық
Иондық өзара әрекеттесулер – қарама-қарсы таңбалары бар толық, тұрақты зарядталған иондар мен молекулалардың тартылысын қамтиды. Мысалы, натрий фторидінде натрийдің оң заряды (Na+) мен фторидтің теріс зарядының (F−) тартылысы болады. Дегенмен, бұл нақты өзара әрекеттесу суға немесе басқа да жоғары полярлы еріткіштерге қосылғанда оңай бұзылады. Суда иондардың жұптасуы көбінесе энтропиямен басқарылады; бір тұздық байланыс әдетте орташа иондық күш I кезінде ΔG = 5 кДж/моль шамасындағы тартымдылық мәніне ие, ал I нөлге жақын болғанда бұл мән шамамен 8 кДж/моль-ға жетеді. ΔG мәндері көбінесе қосымша болады және қатысушы иондардың сипатына, сондай-ақ өтпел металл иондарына тәуелді емес. Бұл өзара әрекеттесулерді белгілі бір атомда локалданып орналасқан зарядқа ие молекулаларда да байқауға болады. Мысалы, этанолдың конъюгацияланған негізі – этиоксидпен байланысты толық теріс заряд көбінесе натрий катионы (Na+) сияқты сілті металл тұзының оң зарядымен бірге келеді.
Сутекті байланыс
Сутекті байланыс (H-байланыс) – ішінара оң зарядталған сутек атомы мен жоғары электронегативті, ішінара теріс зарядталған оттегі, азот, күкірт немесе фтор атомдары арасындағы диполь-дипольді тартылыс негізінде туындайтын өзара әрекеттесудің ерекше түрі (бұл сутек атомы аталған атомдармен ковалентті байланыспаған). Бұл ковалентті байланыс емес, керісінше, күшті ковалентті емес өзара әрекеттесуге жатады. Судың бөлме температурасында сұйық күйде болуына, газ емес болуына (судың молекулалық салмағы төмен екенін ескере отырып) осы байланыс себеп. Көбінесе сутекті байланыстардың күші 0–4 ккал/моль аралығында болады, бірақ кейде 40 ккал/моль-ге жете алады.
Галогендік байланыстар
Галогендік байланыс – нақты байланыстардың түзілуін немесе үзілуін қамтымайтын, ковалентті емес өзара әрекеттесудің бір түрі, бірақ сутекті байланыс сияқты диполь-дипольдік өзара әрекеттесуге ұқсас. Галогендік байланыста галоген атомы электрофил, яғни электрон іздейтін бөлшек ретінде әрекет етеді және нуклеофил, яғни электронға бай бөлшекпен әлсіз электростатикалық өзара әрекеттесуге түседі. Бұл өзара әрекеттесудегі нуклеофил жоғары электронегативті (мысалы, оттегі, азот немесе күкірт) немесе анионды болуы мүмкін, теріс формальды заряд тасымалдауы мүмкін. Сутекті байланысқа қарағанда, галоген атомы электрофил ретінде жартылай оң зарядталған сутегінің орнын басады. Галогендік байланысты галоген-ароматтық өзара әрекеттесулермен шатастырмау керек, өйткені олар байланысты болғанымен, анықтамасы бойынша ерекшеленеді. Галоген-ароматтық өзара әрекеттесулерде нуклеофил ретінде электронға бай ароматты π-бұлты қатысады, ал галогендік байланыс моноатомдық нуклеофилдермен ғана шектеледі. Дипольдің бағытына байланысты, ол поляр емес молекуладан электрондардың электростатикалық тартылуына немесе тебуіне себеп болуы мүмкін. Бұл ковалентті емес өзара әрекеттесулердің ең әлсіз түрі. Дегенмен, органикалық молекулаларда көптеген контактілердің болуы, әсіресе гетероатомдардың қатысуымен, үлкен үлес қосуы мүмкін. Олар "индуцирленген диполь-индуцирленген диполь өзара әрекеттесуі" деп те аталады және барлық молекулалар арасында, тіпті тұрақты дипольдері жоқ молекулалар арасында да кездеседі. Дисперсиялық өзара әрекеттесулер өзара әрекеттесетін топтардың поляризациялану деңгейімен артады, бірақ жоғары поляризацияланған еріткіштермен әлсірейді. Олар көрші молекуланың электрондарынан электрондардың уақытша тебуінен туындайды, нәтижесінде бір молекулада жартылай оң диполь, екіншісінде жартылай теріс диполь пайда болады. Мысалы, толық конъюгацияланған π-бұлты бар бензол сақинасы, π-π өзара әрекеттесу арқылы көрші бензол сақинасымен екі негізгі (және бір екінші дәрежелі) жолмен өзара әрекеттеседі (3-суретті қараңыз). Бензол сақиналарының екі негізгі орналасуы – шетке қарай бетпе-бет (энтальпиясы ~2 ккал/моль) және ығыстырылған (немесе сырғанап қаптама) (энтальпиясы ~2.3 ккал/моль). Мысалы, натрий ионы C6 симметриясымен бензол молекуласының π-бұлтының үстінде оңай орналаса алады (4-суретті қараңыз). Анион-π өзара әрекеттесуі катион-π өзара әрекеттесуіне өте ұқсас, бірақ керісінше. Бұл жағдайда анион электрон тапшы π-жүйеде орналасады, әдетте конъюгацияланған молекулаға электронды тартып алатын топтарды қою арқылы құрылады.
Полярлық
Полярлық π өзара әрекеттесулер тұрақты дипольдары бар молекулаларды (мысалы, суды) π жүйесінің төртполярлы моментімен (мысалы, бензолдағыдай) өзара әрекеттесуін қамтиды (5-суретті қараңыз). Катион-π өзара әрекеттесуінен кем күшті болғанымен, бұл өзара әрекеттесулер өте күшті болуы мүмкін (~12 ккал/моль) және көбінесе ақуыздың бүктелуіне және сутекті байланыстар мен π жүйелерін қамтитын қатты денелердің кристалдануына қатысады. Бұл құбылыс полярлық емес молекулалардың полярлық су молекулаларымен (әдетте шар тәрізді тамшылар) байланысқан беттік ауданын ең төменгі деңгейге дейін төмендетеді және көбінесе биохимияда ақуыздардың бүктелуін және басқа да түрлі биологиялық құбылыстарды зерттеу үшін қолданылады. Су молекулаларының шектеулі саны қуысқа қамалған жағдайда, негізінен энтальпиялық гидрофобтық эффект пайда болады; мұндай су молекулаларын лиганд ығыстырғанда, су молекулалары босатылып, көп мөлшердегі суда шамамен төрт сутекті байланысқа ие болады.
Дәрілік заттарды жобалау
Фармацевтикалық препараттардың көпшілігі ферменттермен немесе рецепторлармен "байланысып", ферменттің жұмыс істеу қабілетін арттырып немесе азайтып, физиологиялық жауапты тудыратын кіші молекулалар болып табылады. Кіші молекуланың ақуызға байланысуы, әр түрлі ковалентті емес өзара әрекеттесулермен қатар, кеңістіктік немесе стерологиялық факторлардың жиынтығымен реттеледі, бірақ кейбір препараттар белсенді ортаны ковалентті түрде өзгертеді (қайтымсыз ингибиторларға қараңыз). Фермент байланысуының "кілт пен құлып" моделін пайдалана отырып, препараттың (кілт) ферменттің байланысу орнына (құлып) шамамен дұрыс өлшемдерге ие болуы керек. Тиісті өлшемдегі молекулалық қаңқаны пайдаланып, препараттар ферментпен ковалентті емес өзара әрекеттесуі керек, бұл байланысу туыстығын және байланысу тұрақтылығын арттырып, препараттың байланысу орнынан ажырау мүмкіндігін азайтады. Бұл кіші молекула мен байланысу орнындағы аминоқышқылы арасындағы сутекті байланыс, электростатикалық өзара әрекеттесу, пи-үйісу, Ван дер Ваальс күштері және диполь-дипольдік өзара әрекеттесулер сияқты әр түрлі ковалентті емес өзара әрекеттесулер арқылы жүзеге асырылады. Ковалентті емес металл препараттары да жасалған. Мысалы, үш спиральді динуклеарлық қосылыстар синтезделді, онда үш лиганд тізбегі екі металлдың айналасына оралып, нәтижесінде цилиндрге жуық тетракатион пайда болады. Бұл қосылыстар екі тізбекті ДНК, Y-тәрізді түйісулер және төрт жолмен байланысқан құрылымдар сияқты сирек кездесетін нуклеин қышқылы құрылымдарына байланысады.
Белоктардың бүлінуі мен құрылымы
Аминқышқылдарының бастапқы (сызықтық) тізбегінен үш өлшемді құрылымға дейін ақуыздардың бүктелуі барлық ковалентті емес өзара әрекеттесулердің, соның ішінде гидрофобтық күштердің және молекулаішілік сутекті байланыстардың қалыптасуымен бағытталады. Ақуыздардың үш өлшемді құрылымдары, оның ішінде екінші және үшінші құрылымдары, сутекті байланыстардың қалыптасуы арқылы тұрақтандырылады. Шағын конформациялық өзгерістер сериясы арқылы кеңістіктік бағдарлар өзгереді, осылайша қол жеткізілетін ең төмен энергетикалық деңгейге жету үшін. Ақуыздардың бүктелуіне көбінесе молекулалық шаперон деп аталатын ферменттер көмектеседі. Стерикалық кедергілер, байланыс кернеуі және бұрыштық кернеу де ақуыздың бастапқы тізбегінен үшінші құрылымына бүктелуінде маңызды рөл атқарады. Жеке үшінші құрылымдар бірнеше тәуелсіз бүктелінген суббірліктерден тұратын ақуыз кешендерін құру үшін біріге алады. Жалпы алғанда, бұл ақуыздың төртінші құрылымы деп аталады. Төртінші құрылым функционалды полимерлік ферменттерді құру үшін әртүрлі суббірліктер арасында сутекті байланыстар сияқты салыстырмалы түрде күшті ковалентті емес өзара әрекеттесулердің қалыптасуы арқылы пайда болады. Кейбір ақуыздар катализ кезінде белсенді орында кофакторларды байланыстыру үшін ковалентті емес өзара әрекеттесуді пайдаланады, бірақ кофактор ферментке ковалентті түрде де бекітілуі мүмкін. Кофакторлар – бұл белсенді ферменттің каталитикалық механизміне көмектесетін органикалық немесе органикалық емес молекулалар болуы мүмкін. Кофактордың ферментпен байланысу күші әртүрлі болуы мүмкін; ковалентті байланысы жоқ кофакторлар әдетте сутекті байланыстармен немесе электростатикалық өзара әрекеттесулермен бекітіледі.
Қайнау нүктелері
Ковалентті емес өзара әрекеттесулер сұйықтың қайнау температурасына маңызды әсер етеді. Қайнау температурасы – сұйықтың бу қысымы, сұйықты қоршаған қысымға тең болатын температура. Жеңілдетіп айтқанда, сұйықтың газға айналатын температурасы. Күтілгендей, заттағы ковалентті емес өзара әрекеттесулер неғұрлым күшті болса, оның қайнау температурасы соғұрлым жоғары болады. Мысалы, химиялық құрамы ұқсас үш қосылысты қарастырайық: натрий n-бутоксиді (C4H9ONa), диэтил эфирі (C4H10O) және n-бутанол (C4H9OH). Ерітіндідегі әрбір түрге тән басым ковалентті емес өзара әрекеттесулер жоғарыдағы суретте көрсетілген. Бұрын айтқандай, иондық өзара әрекеттесулерді бұзу үшін сутекті байланыстарға қарағанда әлдеқайда көп энергия қажет, ал сутекті байланыстар диполь-дипольді өзара әрекеттесулерге қарағанда көбірек энергия талап етеді. Олардың қайнау температураларындағы байқалатын үрдістер (8-сурет) күтілген корреляцияны көрсетеді, онда натрий n-бутоксидін қайнату үшін n-бутанолға қарағанда едәуір көп жылу энергиясы (жоғары температура) қажет, ал n-бутанол диэтил эфиріне қарағанда әлдеқайда жоғары температурада қайнайды. Қосылыстың сұйық күйден газ күйіне өтуі үшін қажетті жылу энергиясы, әрбір молекуланың сұйық күйде басынан өткізетін молекулааралық күштерді бұзуға жұмсалатын энергиямен байланысты.