Кіріспе

Сутек донорлық жұп пен акцептор арасындағы молекулалық тартылыс. Химияда сутек байланысы (немесе H байланысы) – бұл негізінен электронегативті “донорлық” атомға немесе топқа (Dn) ковалентті байланысқан сутек (H) атомы мен электрондардың жалғыз жұбын (сутек байланысы акцепторы) алып жүретін басқа электронегативті атом арасындағы электростатикалық тартылыс күші. Мұндай өзара әрекеттесетін жүйе әдетте Dn–H···Ac деп белгіленеді, мұнда қатты сызық полярлы ковалентті байланысты, ал нүктелі немесе үзік сызық сутек байланысын көрсетеді. Ең жиі кездесетін донор және акцептор атомдары – 2-кезең элементтері: азот (N), оттегі (O) және фтор (F). Сутек байланыстары молекулалық (әр түрлі молекулалар арасында пайда болатын) немесе ішмолекулалық (бір молекуланың бөліктері арасында пайда болатын) болуы мүмкін. Сутек байланысының энергиясы геометрияға, ортаға және нақты донор мен акцептор атомдарының табиғатына байланысты және 1 мен 40 ккал/моль аралығында өзгеруі мүмкін. Бұл оларды ван дер Ваальс өзара әрекеттесуінен күштірек, ал толық ковалентті немесе иондық байланыстардан әлсіз етеді. Мұндай байланыстар су сияқты бейорганикалық молекулаларда және ДНК мен белоктар сияқты органикалық молекулаларда кездесе алады. Сутек байланыстары қағаз бен жүн сияқты материалдарды бірге ұстап тұруға, сондай-ақ, қағаздың жеке парақтарын ылғалданғаннан кейін біріктіріп, содан кейін кептіруге жауапты. Сутек байланысы N, O және F қосылыстарының басқа ұқсас құрылымдармен салыстырғанда ерекше болып көрінетін көптеген физикалық және химиялық қасиеттеріне де жауапты. Атап айтқанда, молекулалық сутек байланысы судың жоғары қайнау температурасын (100 °C) қамтамасыз етеді, бұл 16-топтың басқа гидридтеріне қарағанда әлдеқайда жоғары, себебі оларда сутек байланысы нашар дамыған. Ішмолекулалық сутек байланысы белоктер мен нуклеин қышқылының екінші және үшінші құрылымдарының қалыптасуына ішінара жауапты.

Анықтамалар мен жалпы сипаттамалар

Сутекті байланыста сутекке ковалентті байланыс арқылы тікелей қосылмаған электронегативті атом протон қабылдағыш деп аталады, ал сутекке ковалентті байланыс арқылы қосылған атом протон доноры деп аталады. Бұл номенклатура IUPAC ұсынған. Сутек атомдары күкірт (S) немесе хлор (Cl) сияқты элементтермен байланысуға бейім; тіпті көміртек (C) де донор рөлінде әрекет ете алады, әсіресе көміртек немесе оның жанындағы атомдардың бірі электронегативті болған жағдайда (мысалы, хлороформ, альдегидтер және терминалды ацетилендерде). Бірте-бірте, N, O немесе F-тан басқа донорларды және/немесе сутегінен электронегативтілігі жақын қабылдағыштарды (құрамындағы электронегативтілік сутегіден әлдеқайда жоғары емес) қамтитын әлсіз сутекті байланыстардың көптеген мысалдары бар екені анықталды. Бұл байланыстар әлсіз болғанымен (≈1 ккал/моль), «дәстүрлі емес» сутекті байланыс өзара әрекеттесулері кеңінен таралған және көптеген материалдардың құрылысына әсер етеді. Сутекті байланыстың анықтамасы уақыт өте келе осы әлсіз тартымды өзара әрекеттесулерді де қамтитын болып біртіндеп кеңейді. 2011 жылы IUPAC жұмыс тобы сутекті байланыстың заманауи, дәлелдерге негізделген анықтамасын ұсынды, ол IUPAC журналы Pure and Applied Chemistry-де жарияланды. Бұл анықтама:

Байланыстың беріктігі

Сутекті байланыстардың күші әлсіз (1–2 кДж/моль) -ден күштіге дейін (161,5 кДж/моль бифтор ионында, |HF2) өзгеруі мүмкін. Будағы типтік энталпиялар: |F\sH***:F (161,5 кДж/моль немесе 38,6 ккал/моль), бірегей түрде |HF2 арқылы көрсетілген. |O\sH***:N (29 кДж/моль немесе 6,9 ккал/моль), су және аммиак арқылы көрсетілген. |O\sH***:O (21 кДж/моль немесе 5,0 ккал/моль), су-су, спирт-спирт арқылы көрсетілген. |N\sH***:N (13 кДж/моль немесе 3,1 ккал/моль), аммиак-аммиак арқылы көрсетілген. |N\sH***:O (8 кДж/моль немесе 1,9 ккал/моль), су және амид арқылы көрсетілген. OH3+***:OH2 (18 кДж/моль немесе 4,3 ккал/моль). Молекуларалық сутекті байланыстардың күші көбінесе донор және/немесе қабылдаушы топтары бар молекулалар арасындағы тепе-теңдікті өлшеу арқылы бағаланады, әсіресе ерітіндіде. Молекулаішілік сутекті байланыстардың күші сутекті байланысы бар және жоқ конформерлер арасындағы тепе-теңдіктер арқылы зерттелуі мүмкін. Сутекті байланыстарды анықтаудың ең маңызды әдісі, тіпті күрделі молекулаларда да, кристаллография, кейде ЯМР спектроскопиясы болып табылады. Құрылымдық ерекшеліктер, атап айтқанда, донор мен қабылдаушы арасындағы қашықтық, ван дер Ваальс радиустарының қосындысынан кішірек болса, сутекті байланыстың күшін көрсетеді. Бір схема келесідей шартты жіктеме ұсынады: 15-40 ккал/моль – күшті, 5-15 ккал/моль – орташа, ал >0-5 ккал/моль – әлсіз деп есептеледі.

Резонанстық көмекпен жасалған сутекті байланыс

Резонанстық көмекпен жасалған сутекті байланыс (әдетте RAHB деп қысқартылады) – сутекті байланыстың күшті түрі. Ол сутегіне қатысты π-делокализациямен сипатталады және оны электростатикалық модельмен толыққанды сипаттау мүмкін емес. Бұл сутекті байланыстың сипаттамасы, |O\dC\sOH*** немесе |***O\dC\sC\dC\sOH арасында әдетте байқалатын ерекше қысқа қашықтықтарды түсіндіру үшін ұсынылған.

Спектроскопия

Күшті сутекті байланыстар 1H ЯМР спектрінде төменгі қарай ығысулар арқылы анықталады. Мысалы, ацетилацетонның энол таутомеріндегі қышқыл протон 15.5 δH мәнінде пайда болады, бұл әдеттегі спиртке қарағанда шамамен 10 ппм-ге төмен. ИК спектрінде сутекті байланыс X\sH созылу жиілігін төмен энергияға қарай (яғни тербеліс жиілігі төмендейді) ығыстырады. Бұл ығысу X\sH байланысының әлсіреуін көрсетеді. Кейбір сутекті байланыстар, бұрыс сутекті байланыстар X\sH созылу жиілігінің көк түске қарай ығысуына және байланыс ұзындығының қысқаруына себеп болады. H байланыстарын акцептордың ИК тербеліс режимінің ығысуы арқылы өлшеуге болады. α-спиральдардағы тірек карбонилдерінің амид I режимі, олар бүйір тізбектегі гидроксил топтарымен H байланыстарын түзген кезде төменгі жиілікке қарай ығысады. Судағы сутекті байланыс құрылымдарының динамикасын осы OH созылу тербелісі арқылы зерттеуге болады. Протикалық органикалық иондық пластикалық кристалдардағы (POIPC) сутекті байланыс желісінде, олар еріуге дейін қатты-қатты фазалық өтулерді көрсететін фазалық өту материалдарының түрі, өзгермелі температуралы ИК спектроскопия сутекті байланыстардың температураға тәуелділігін және аниондар мен катиондардың динамикасын анықтауға мүмкіндік береді.

Теориялық ойлар

Сутекті байланыстар тұрақты теориялық қызығушылық тудырады. Қазіргі заманауи сипаттама бойынша |O:H…O| молекулааралық O:H жалғыз электрон жұбы ":" емес байланысы және |H…O| полярлы ковалентті байланысы, молекулаішілік |O…O| теріс әсерлесумен байланысты. Тиісті қалдықтар арасындағы потенциалдық тұрақтылардың (икемділік тұрақтылары) кванттық химиялық есептеулері бір типтегі жеке H байланыстары арасында елеулі айырмашылықтарды көрсетті. Мысалы, гуанин мен цитозин арасындағы орталық қалдықтар аралық |N…H…N| сутекті байланысы, аденин-тимин жұбы арасындағы |N…H…N| байланысына қарағанда әлдеқайда күшті. Теориялық тұрғыдан алғанда, сутекті байланыстардың беріктігін NCI индексі, ковалентті емес өзара әрекеттесу индексі арқылы бағалауға болады, ол атауынан көрініп тұрғандай, жүйедегі электрондық тығыздықты пайдалану арқылы осы ковалентті емес өзара әрекеттесулерді визуализациялауға мүмкіндік береді. Қарапайым мұздың Комптон профиліндегі анизотропияның интерпретациялары сутекті байланыстың ішінара ковалентті екенін көрсетеді. Алайда, бұл интерпретация күмәндалған. Жалпы алғанда, сутекті байланысты екі немесе одан көп молекулааралық байланыстар арасындағы метрикаға тәуелді электростатикалық скалярлық өріс ретінде қарастыруға болады. Бұл, мысалы, ковалентті немесе иондық байланыстардың молекулаішілік байланысқан күйлерінен сәл өзгеше. Дегенмен, сутекті байланыс әдетте байланысқан күй құбылысы болып табылады, себебі өзара әрекеттесу энергиясының жалпы теріс қосындысы бар. Линус Паулинг ұсынған сутекті байланыстың бастапқы теориясы сутекті байланыстардың ішінара ковалентті табиғаты бар екенін болжады. Бұл интерпретация, егер сутекті байланыс ковалентті сипатқа ие болса ғана мүмкін болатын, сутекті байланыстағы ядролар арасындағы ақпарат алмасуын көрсеткенге дейін, NMR техникасы арқылы даулы болып келді.

Тарих

Сутекті байланыс тұжырымы бұрынғыда түсінуге қиын болған. Линус Полинг 1912 жылы сутекті байланысты алғаш рет Т. С. Мур және Т. Ф. Винмиллдің есімдерімен байланыстырды. Мур мен Винмилл триметиламмоний гидроксидінің тетраметиламмоний гидроксидінен нашар негіз екенін түсіндіру үшін сутекті байланыс тұжырымын қолданды. Сутекті байланыстың су ортасындағы жақсы танымал сипаттамасы бірнеше жыл өткен соң, 1920 жылы Латимер мен Родебуш еңбектерінде келтірілді. Олар өз зертханасындағы әріптесі Морис Лоял Хаггинстің жұмысына сілтеме жасап, былай деді: "Осы зертхананың мырза Хаггинс әлі жарияланбаған жұмыстарында, кейбір органикалық қосылыстарға қатысты теория ретінде екі атомның арасында ұсталып тұрған сутек ядросы туралы идеяны пайдаланды".

Су

Су молекулалары арасындағы сутекті байланыстың кең таралған мысалы бар. Бір су молекуласында екі сутек атомы және бір оттек атомы болады. Ең қарапайым жағдай – бір-бірімен сутекті байланысы бар екі су молекуласының жұбы, ол су димері деп аталады және көбінесе модельдік жүйе ретінде қолданылады. Сұйық судағыдай, молекулалар саны артқанда, байланыстардың саны да артады, себебі су молекуласының оттегі екі бос электрон жұбына ие, олардың әрқайсысы басқа су молекуласының сутегімен сутекті байланыс құруы мүмкін. Бұл қайталанып, судың әрбір молекуласы өзінің екі бос электрон жұбы және екі сутек атомы арқылы басқа төрт су молекуласына дейін сутекті байланыс арқылы байланысуы мүмкін. Сутекті байланыстар мұздың кристалдық құрылымына күшті әсер етеді, ашық алтыбұрышты тор құруға көмектеседі. Мұздың тығыздығы бірдей температурадағы судың тығыздығынан төмен; сондықтан судың қатты фазасы көптеген басқа заттардан айырмашылығы, сұйықта жүзіп отырады. Сұйық судың жоғары қайнау температурасы оның молекулалық массасына қарағанда әрбір молекула құрай алатын сутекті байланыстардың көптігіне байланысты. Осы байланыстарды үзудің қиындығына байланысты, судің қайнау температурасы, балқу температурасы және тұтқырлығы, сутекті байланыстармен байланысқан басқа ұқсас сұйықтықтарға қарағанда әлдеқайда жоғары. Су ерекше, себебі оның оттек атомында екі бос жұп және екі сутек атомы бар, яғни су молекуласының жалпы байланыстарының саны төртке дейін жетеді. Сұйық су молекуласы құратын сутекті байланыстардың саны уақыт және температураға байланысты өзгереді. Басқа зерттеулер сутекті байланыстардың әлдеқайда аз санын тапты: 25 °C температурада – 2,357. Дегенмен, сутекті байланыстарды анықтау және санау оңай емес. Су еріген протон донорлары мен акцепторларымен сутекті байланыстар құра алады, сондықтан ол еріген молекулааралық немесе ішкі молекулалық сутекті байланыстардың пайда болуын бәсекелестікпен тежеуі мүмкін. Соның салдарынан, суда еріген молекулалар арасындағы немесе олардың ішіндегі сутекті байланыстар, су мен сол еріген заттардағы сутекті байланыстардың донорлары мен акцепторлары арасындағы сутекті байланыстарға қарағанда көбінесе тиімсіз болып табылады. Су молекулалары арасындағы сутекті байланыстардың орташа өмір сүру мерзімі 10−11 секунд, яғни 10 пикосекунд.

Судағы екіге бөлінген және жоғары үйлестірілген сутекті байланыстар

Бір сутек атомы екі сутекті байланысқа қатыса алады. Мұндай байланыс "бифуркацияланған" (екіге бөлінген немесе "екі тармақты") деп аталады. Ол, мысалы, күрделі органикалық молекулаларда кездеседі. Бифуркацияланған сутек атомы судың қайта бағдарлануының маңызды қадамы болуы мүмкін деп ұсынылған. Ацепторлық типтегі сутекті байланыстар (оттегінің бос электрон жұптарымен аяқталады) донорлық типтегі сутекті байланыстарға қарағанда бифуркациялануға бейім (мұны шамадан тыс координацияланған оттегі, ОКО деп атайды), олар сол оттегінің сутектерінен басталады.

Еріткіштің сутекті байланысының қосымша көріністері

Көптеген қосылыстардың балқу нүктесінің, қайнау нүктесінің, ерігіштігінің және тұтқырлығының жоғарылауын сутекті байланыс түсінігімен түсіндіруге болады. HF және су қоспаларының теріс азеотропиясы. Мұздың сұйық суға қарағанда тығыздығы аз болуы сутекті байланыстармен тұрақтандырылған кристалдық құрылысына байланысты. NH3, H2O және HF қайнау температуралары PH3, H2S және HCl аналогтарынан әлдеқайда жоғары, себебі оларда сутекті байланыс байқалмайды. Сусыз фосфор қышқылы мен глицериннің тұтқырлығы. Карбон қышқылдарында димерлену және фторсутекте гексамерлену процестері, тіпті газ фазасында да жүзеге асады, бұл идеал газ заңынан елеулі ауытқуларға әкеледі. Аполярлы еріткіштерде су мен спирттердің пентамерленуі.

Полимерлердегі сутекті байланыстар

Сутекті байланыстар көптеген белоктардың үш өлшемді құрылымын және олардың қасиеттерін анықтауда маңызды рөл атқарады. Көптеген полимерлерді құрайтын |C\sC, |C\sO және |C\sN байланыстарымен салыстырғанда, сутекті байланыстар әлдеқайда әлсіз, шамамен 5% ғана. Сондықтан, сутекті байланыстарды химиялық немесе механикалық әсерлер арқылы бұзуға болады, бірақ полимер тізбегінің негізгі құрылымы сақталады. Байланыс күштерінің мұндай иерархиясы (ковалентті байланыстар сутекті байланыстардан күшті, ал сутекті байланыстар ван дер Ваальс күштерінен күшті) көптеген материалдардың қасиеттері үшін маңызды.

ДНҚ

Бұл макромолекулаларда, молекуланың өзінің бөліктері арасындағы байланыстар оны нақты пішінге бүктеуге себеп болады, бұл молекуланың физиологиялық немесе биохимиялық қызметін анықтауға көмектеседі. Мысалы, ДНҚ-ның қос спиральді құрылымы көбінесе оның негіз жұптары арасындағы сутекті байланысқа (сондай-ақ пи-қабаттасу өзара әрекеттесулеріне) байланысты, ол бір толықтыратын тізбекті екіншісімен байланыстырып, көбейтуді қамтамасыз етеді.

Белсенділер

Белоктардың екіншілік құрылымында омыртқалық оттегілер мен амидтік сутектер арасында сутекті байланыстар қалыптасады. Сутекті байланысқа қатысатын аминқышқылдарының қалдықтары i және i + 4 позициялары арасында реттелі арақашықтықта орналасқанда альфа спираль пайда болады. Егер арақашықтық i және i + 3 позициялары арасында кем болса, онда 310 спираль қалыптасады. Екі тізбек сутекті байланыстар арқылы біріктірілгенде, әр тізбектегі кезектесетін қалдықтардан бета парақ пайда болады. Сутекті байланыстар R топтарының өзара әрекеттесуі арқылы белоктың үшіншілік құрылымын қалыптастыруда да маңызды рөл атқарады. (Сондай-ақ белоктың бүктелуіне қараңыз). Қиылысқан H байланыс жүйелері альфа спиральді трансмембраналық белоктарда жиі кездеседі, онда i қалдығының омыртқалық амиді |C\dO H байланысының қабылдаушысы ретінде және i + 4 қалдығынан екі H байланысының доноры болып табылады: омыртқалық амид |N\sH және бүйірлік тізбектегі гидроксил немесе тиол |H+. Қиылысқан H байланыс гидроксил немесе тиол жүйесінің энергиялық басымдығы тиісінше 3,4 ккал/моль немесе 2,6 ккал/моль құрайды. Бұл екіге бөлінген H байланысының түрі гидрофобтық мембрана ортасындағы серин, треонин және цистеин сияқты полярлық бүйірлік тізбектер үшін ішкі спиральдық H байланысу серіктесін қамтамасыз етеді. Олардың белокты тұрақтандырудағы молекулалық механизмі әлі толыққанды анықталмаған, бірақ бірнеше механизмдер ұсынылған. Компьютерлік молекулалық динамикалық модельдеулер осмолиттердің белок гидратациялық қабатындағы сутекті байланыстарды өзгерту арқылы белоктарды тұрақтандыратынын көрсетеді. Бірнеше зерттеулер сутекті байланыстардың мультимерлік белоктардағы кішібірліктер арасындағы тұрақтылыққа маңызды рөл атқаратынын көрсетті. Мысалы, сорбитол дегидрогеназасын зерттеу сүтқоректілердің сорбитол дегидрогеназа белоктар отбасындағы тетрамерлік төртіншілік құрылымын тұрақтандыратын маңызды сутекті байланыс желісін көрсетті. Судың шабуылынан толық қорғалмаған белоктың омыртқалық сутекті байланысы дегидрон болып табылады. Дегидрондар белоктар немесе лигандтар арқылы судың алынуын ынталандырады. Сыртқы дегидратация амид пен карбонил топтары арасындағы электростатикалық өзара әрекеттесуді күшейтеді, олардың ішінара зарядтарын азайтады. Бұдан әрі, дегидратация сусыздалған оқшауланған зарядтардан тұратын байланыспаған күйді тұрақсыздандыру арқылы сутекті байланысты тұрақтандырады. Жүн – белок талшығы болғандықтан, сутекті байланыстар арқылы байланысқан, сондықтан созылғанда кері қайтады. Дегенмен, жоғары температурада жуу сутекті байланыстарды жоюы мүмкін, нәтижесінде киімнің пішіні өзгеруі мүмкін.

Басқа полимерлер

Көптеген полимерлердің қасиеттеріне тізбектер ішіндегі және/немесе олардың арасындағы сутекті байланыстар әсер етеді. Көзге көрінетін мысалдарға целлюлоза және одан алынған талшықтар, мысалы, мақта және зығыр жатады. Найлонда карбонил және амидтік NH арасындағы сутекті байланыстар жақын тізбектерді тиімді байланыстырады, бұл материалға механикалық күштілік береді. Сутекті байланыстар арамид талшығына да әсер етеді, онда сутекті байланыстар тізбектерді бүйірлерінен тұрақтандырады. Тізбек осі талшық осі бойымен қатар орналасқандықтан, талшықтар өте қатаң және берік болады. Сутекті байланыс желілері екі полимерді де атмосферадағы ылғалдылық деңгейіне сезімтал етеді, себебі су молекулалары бетке тарап, желіні бұзуы мүмкін. Кейбір полимерлер басқаларына қарағанда сезімтал. Мысалы, нейлон арамидтерге қарағанда, ал нейлон 6 нейлон 11-ге қарағанда сезімтал.

Симметриялық сутекті байланыс

Симметриялық сутекті байланыс – протон екі бірдей атомның арасында дәл ортада орналасқан сутекті байланыстың ерекше түрі. Осы атомдардың әрқайсысына байланыстың күші тең болады. Бұл үш орталықты, төрт электронды байланысқа мысал. Мұндай байланыс "қалыпты" сутекті байланысқа қарағанда әлдеқайда күшті. Тиімді байланыс реті 0,5-ке тең, сондықтан оның күші ковалентті байланысқа шамалас. Ол жоғары қысымдағы мұзда, сондай-ақ жоғары қысымдағы фторсутек қышқылы және құмырсқа қышқылы сияқты көптеген сусыз қышқылдардың қатты фазасында кездеседі. Бұл байланыс бифтор ионында да байқалады |[F***H***F]|. Протонды губканың (1,8 бис(диметиламино)нафталин) протонталған түрі және оның туындылары да қатаң стерикалық шектеуге байланысты симметриялық сутекті байланыстарға ие (|[N***H***N]+), бірақ протонды губка жағдайында құрылымы иілген болады.

Дигидрогендік байланыс

Сутекті байланысты, сутек атомдарын қамтитын молекулааралық байланыстық өзара әрекеттесу болып табылатын, оған жақын дисутекті байланыспен салыстыруға болады. Бұл құрылымдар біраз уақыттан бері белгілі және кристаллография арқылы жақсы сипатталған; алайда, олардың дәстүрлі сутекті байланыс, иондық байланыс және ковалентті байланыспен байланысын толық түсіну әлі де қиын. Жалпы, сутекті байланыс – протонды қабылдайтын атомдардың (көбінесе азот және халькогендер тобындағы) бос электрон жұбы арқылы сипатталады. Кейде протонды қабылдағыштар пішінді байланыстар немесе металл кешендері болуы мүмкін. Ал дигидрогендік байланыста металл гидриді протонды қабылдағыш рөлін атқарады, нәтижесінде сутек-сутек өзара әрекеттесуі пайда болады. Нейтрон дифракциясы көрсеткендей, осы кешендердің молекулалық геометриясы сутекті байланыстарға ұқсас, себебі байланыстың ұзындығы металл кешені/сутек доноры жүйесіне бейімделеді. Дегенмен, көптеген дәрілік заттар осы "ережелерге" сәйкес келмейді.