Кіріспе

Ковалентті емес молекулалық өзара әрекеттесу Катиондықπ өзара әрекеттесуі - электронға бай π жүйесінің (мысалы, бензол, этилен, ацетилен) және іргелес катионның (мысалы, Li+, Na+) арасындағы ковалентті емес молекулалық өзара әрекеттесу. Бұл өзара әрекеттесу монопол (катион) мен квадропол (π жүйесі) арасындағы ковалентті емес байланыстың үлгісі болып табылады. Байланыс энергиясы маңызды, ерітінді фазалық мәндері сутекті байланыстар мен тұз көпірлері сияқты шамамен бірдей болады. Басқа ковалентті емес байланыстар сияқты катионπ өзара әрекеттесулері табиғатта, әсіресе ақуыз құрылымында, молекулалық тануда және фермент катализатында маңызды рөл атқарады. Бұл әсер синтетикалық жүйелерде де байқалып, қолданылған.

Эффекттің пайда болуы

Бензолдың, π үлгідегі жүйесінің тұрақты диполдық моменті жоқ, өйткені молекулалық симметрияға байланысты әлсіз полярлы көміртек-сутек байланыстарының үлесі жойылады. Алайда, бензол сақинасының үстіндегі және астындағы электронға бай π жүйесінде ішінара теріс заряд бар. Бензол атомдарының жазықтығына тепе-теңдік беретін оң заряд қосылады, нәтижесінде электрлік төртполюс пайда болады (параллелограмм сияқты тігілген дипольдар жұбы, сондықтан таза молекулалық диполь моменті болмайды). Төртполюстің теріс зарядталған аймағы оң зарядталған түрлермен оң әсер ете алады; жоғары заряд тығыздығының катиондарымен ерекше күшті әсер байқалады. Зерттеулер электростатикалық әсерлердің қарапайым жүйелерде басым екенін және салыстырмалы байланысу энергиясының электростатикалық потенциалдық энергиямен жақсы байланыста екенін көрсетті. Догерти және оның әріптестері әзірлеген электростатикалық модель электростатикалық тартылудың айырмашылығына негізделген байланысу энергиясының үрдісін сипаттайды. Катионπ жұптарының өзара әрекеттесу энергиясы аренаның π бетінен жоғары электростатикалық потенциалмен жақсы байланысты екендігі анықталды: он бір Na+ ароматтық аддуктар үшін әртүрлі аддуктар арасындағы байланысу энергиясының өзгеруі электростатикалық айырмашылықтармен толықтай рационализациялануы мүмкін. Іс жүзінде бұл үрдістерді бірқатар ареналар үшін электростатикалық потенциал карталарының визуалды бейнелеріне негізделген сапалы түрде болжауға мүмкіндік береді. Электростаттық тартылыс катиондықπ байланысының жалғыз компоненті емес. Мысалы, 1,3,5 трифторбензол, төртполюс моментінің болмашы болғанына қарамастан, катиондармен өзара әрекеттеседі. Электростаттық емес күштер бар болса да, бұл компоненттер әртүрлі ареналарда ұқсас болып қалады, бұл электростаттық модельді салыстырмалы байланыстыру энергиясын болжауда пайдалы құралға айналдырады. Байланыстылыққа ықпал ететін басқа "нәтижелер" жақсы түсініксіз. Поляризация, донорлық акцептор және зарядтану өзара әрекеттесуі бар; дегенмен, энергетикалық үрдістер ареналар мен катиондардың осы әсерлерді пайдалану қабілетімен жақсы жүрмейді. Мысалы, егер индуцирленген дипол бақылау әсері болса, циклогексан сияқты алифалық қосылыстар жақсы катионπ серіктестері болуы керек (бірақ олар емес). Жалғыз зарядталған түр үшін газ фазасының өзара әрекеттесу энергиясы иондық радиуспен байланысты (сфералық емес иондық радиустар шамамен). M+ Li+ Na+ K+ NH4+ Rb+ NMe4+ ΔG [kcal/mol] 38 27 19 19 16 9 [Å] 0.76 1.02 1.38 1.43 1.52 2.45 Бұл үрдіс куломбалық күштер өзара әрекеттесу күшінің негізгі рөлін атқарады деген идеяны қолдайды, өйткені басқа байланыстар үшін үлкен және поляризацияланатын иондардың байланысу энергиясы жоғары болады деп күтіледі.

Төртполюстік момент

Төртполюс моментін әр түрлі ареналармен салыстыру катионπ байланысының үрдісін болжау үшін пайдалы сапалық құрал болып табылады, өйткені ол өзара әрекеттесу күшінің шамамен сәйкес келеді. Төртполюс моменттері үлкен ареналар, әдетте, катиондарды байланыстыруда жақсы. Алайда, төртполярлы иондық модель жүйесін катионπ өзара әрекеттесуін сандық модельдеу үшін қолдануға болмайды. Мұндай модельдер нүктелік зарядтарды қабылдайды, сондықтан қысқа катиондықπ байланыс аралығын ескере отырып, жарамсыз. Энергияны болжау үшін электростатиканы пайдалану үшін төртполюс моментті нүктелік заряд ретінде ғана емес, толық электростатикалық потенциалдық бетті қарастыру керек. Электронды бөлетін топтар (мысалы, циано-CN) өзара әрекеттесуді әлсіретеді, ал электронды бөлетін алмастырғыштар (мысалы, амино-NH2) катиондыπ байланысын күшейтеді. Бұл қатынас бірнеше алмастырғыштардың шегінде сандық түрде көрсетілді. Катионπ байланысу энергиясының электрондық үрдістері арил реактивтілігінің үрдістеріне мүлдем ұқсас емес. Шынында да, резистенттің резонанстық қатысуы көптеген химиялық реакцияларда арендермен өте маңызды болғанына қарамастан, катионπ байланысына елеулі үлес қоса алмайды. Бұл әр түрлі алмастырылған ареналар үшін катионπ өзара әрекеттесу күшінің Хаммет параметрімен байланысты екендігі байқалады. Бұл параметр функционалдық топтардың арил сақинасына индукциялық әсерін көрсетуге арналған. Бұл түсінік интуитивті мағынаға ие, бірақ кейінгі зерттеулер оның қате екенін көрсетті. Уилер мен Хоуктің соңғы есептеу жұмыстары әсердің бірінші кезекте катион мен алмастырушы диполдың арасындағы кеңістіктегі тікелей өзара әрекеттесуге байланысты екенін айқын көрсетеді. Бұл зерттеуде, алмастырылмаған бензол плюс әрекеттесуін "H X" молекуласымен модельдеу есептеулері, алмастырушы зат болатын жерде орналасқан (қосымша сутек атомдарына түзету) катионның барлық байланысу үрдісін болды. Өте күшті пи донорлары немесе акцепторлары үшін бұл модель бүкіл өзара әрекеттестікті толықтай есепке ала алмады; бұл жағдайларда поляризация маңызды фактор болуы мүмкін. Шеррилл мен оның әріптестерінің зерттеуі өзара әрекеттесудің геометриясын одан әрі зерттеп, катионπ өзара әрекеттесулері катион атомдар жазықтығына перпендикуляр орналасқан кезде ең күшті екенін растады (төмендегі суреттеθ = 0 градус). Осы геометрияның өзгеруі әлі де маңызды өзара әрекеттесуді көрсетеді, бұл θ бұрышы 90 градусқа жақындаған сайын әлсірейді. Одан тыс өзара әрекеттесулер үшін φ екі H атомының арасында катионды орналастырады. Тепе-теңдік байланысы арақашықтығы осі бұрышынан ауысқанда да артады. Ктионның көміртек сақинасымен планерлік байланысы бар энергиялар потенциалдық энергия бетіндегі атқылау нүктелері болып табылады, бұл ктион мен төртполюстің оң аймағы арасындағы өзара әрекеттесу идеалдық емес деген ойға сәйкес келеді.

Қатынас күшінің салыстырмалы мөлшері

Сулы ортада катионπ өзара әрекеттесуі аммоний карбоксилаты тұздарының көпірлерімен салыстырмалы (және мүмкін одан да күшті). Төмендегі есептелген мәндер еріткіш полярлығы өскен сайын катионπ кешенінің беріктігі күрт төмендейді. Бұл үрдісті еріту әсерімен рационализациялау мүмкін: тұз көпірінің қалыптасуы екі зарядталған түр үшін де еріту жазасын жоғары, ал катионπ кешені тек катион үшін ғана елеулі жаза төлейді. Бұл тұрғыда аз зерттелген болса да, ДНК негіздері катионπ өзара әрекеттесулеріне де қатыса алады.

Белок құрылысындағы рөлі

Катиондықπ өзара әрекеттесулерінің ақуыз құрылымында рөл ойнағанына алғашқы дәлел - кристаллографиялық деректерде ароматты бүйірлік тізбектер азотты құрайтын бүйірлік тізбектермен (бұл протонды, катиондық түрлер ретінде болуы мүмкін) арақатынассыз жиілікте жақын байланыста көрінеді. 1986 жылы Берли мен Петско жариялаған зерттеуде әртүрлі ақуыздар жинағы қаралды және Phe, Tyr және Trp ароматты қалдықтарының ~ 50% -ы аминотоптардың 6о шегінде болды. Сонымен қатар, азоттың шамамен 25% -ы жақтағы тізбектер Лис, Ассн, Глн және Гис аралас ароматтармен және 50% -ы Арг аралас ароматтармен (2 орташа есеппен) байланыста болды. Үлкен деректер жиынтығында жүргізілген зерттеулер ұқсас үрдістерді, соның ішінде катиондық және ароматтық жанама тізбектердің кезектесіп тұратын қатпарларының кейбір көрнекті массивтерін тапты. Кейбір жағдайларда N H сутектері ароматтық қалдықтарға қарай орналастырылды, ал басқаларында катиондық бөлік π жүйесінің үстінде орналастырылды. Арг пен Трп арасындағы тығыз байланыстар ерекше күшті болып табылды. Аргтың гуанидиний бөлігі әсіресе хош иісті қалдықтардың үстіне үйілуіне, сонымен қатар жақын маңдағы оттегі атомдарымен сутекті байланыстыруға бейім.

Ферменттік катализ

Катиондықπ өзара әрекеттесулері химиялық реакцияларды өтпелі күйлерде оң зарядтың жинақталуын тұрақтандыру арқылы катализдей алады. Мұндай әсер ферменттік жүйелерде байқалады. Мысалы, ацетилхолин эстеразасының белсенді орнында кватернарлы аммонийді байлайтын маңызды ароматтық топтар бар.

Қатты күйдегі құрылымдар

Катиондықπ өзара әрекеттесулер синтетикалық молекулалардың кристалдарында да байқалады. Мысалы, Аоки мен оның әріптестері Индол-3 қышқыл қышқылы холин эфирінің қатты күйдегі құрылымын зарядталмаған аналогпен салыстырды. Зарядталған түрлерде индолмен молекулааралық катионπ өзара әрекеттесуі, сондай-ақ тордағы көрші молекуланың индол бөлігімен өзара әрекеттесуі байқалады. Изостерикалық нейтралды қосылыстың кристалында бірдей бүктеу байқалмайды және терт-бутил тобы мен көршілес индольдер арасында өзара әрекеттесулер жоқ.

Молекулалық рецепторлар

Катиондықπ өзара әрекеттесуі бойынша алғашқы зерттеулердің кейбіреулері циклофанның хост-жұмысшы химиясындағы зарядталған азотты молекулалардың өзара әрекеттесуін қарастыруды қамтиды. Аниондық еріту топтары хосттың ароматтық капсулаларына қосылған кезде де катиондық қонақтар π жүйесімен байланысуды көбінесе артық көретіндігі анықталды. Оң жақта көрсетілген хост түрі N алкильдеу реакцияларын катионды өнімдер қалыптастыру үшін катализациялай алды. Жақында катионπ-ге бағытталған субстратты байлау және катализ Реймонд пен Бергман әзірлеген супермолекулалық металл лигандтар кластерлік катализатор жүйелеріне қатысты.

Супрамолекулалық құрастыруда π-π, CH-π және π-катиондық өзара әрекеттесулерді қолдану

π жүйелері олардың әр түрлі функционалдық топтармен көпжақты ковалентті емес өзара әрекеттесуі арқасында супрамолекулалық құрастыруда маңызды құрылыс блоктары болып табылады. Әсіресе, π, CH, π және π катиондық өзара әрекеттесулер супрамолекулярлық құрастыру мен тануда кеңінен қолданылады. π π өзара әрекеттесуі екі &pi жүйелер арасындағы тікелей өзара әрекеттесуге қатысты; ал катионπ өзара әрекеттесуі катионның π жүйесінің бетіндегі электростатикалық өзара әрекеттесуінен туындайды. Осы екі өзара әрекеттесуден айырмашылығы, CH π өзара әрекеттесуі негізінен C H орбиталы мен π жүйесі арасындағы зарядтың ауысуынан туындайды. Супрамолекулалық құрастыруда π π өзара әрекеттесуін қолданудың көрнекті мысалы - катенен синтезі. Катенан синтезі үшін ең басты қиындық молекулаларды бақылана отырып, бір-бірімен байланыстыру. Стоддарт және оның әріптестері электронды пиридиний сақиналары мен электронды бензол туындылары арасындағы күшті π π өзара әрекеттесуді пайдалана отырып, жүйелер сериясын жасады. [2]Катанен бис ((пиридиний) (А), биспарафенилен 34 крона 10 (В) және 1, 4 бис ((бромметил) бензол С реакциясымен синтезделді (сурет. 2) қараңыз. А мен В арасындағы π π өзара әрекеттесуі өзара байланысқан шаблон аралық құрамының пайда болуына бағытталды, ол C қосылысымен алмастыру реакциясы арқылы [2] катенандар өнімін өндіру үшін циклдендірілді.

Органикалық синтез және катализ

Катионπ өзара әрекеттесуі тарихи түрде көптеген органикалық реакцияларда маңызды, бірақ байқалмаған. Алайда, соңғы уақытта катализаторларды жобалауда қолдануға болатын мүмкіндіктерге назар аударылды. Әсіресе, ковалентті емес органокатализаторлардың кейде реактивтілік пен селективтілік үрдістерін көрсетіп, катионπ байланысу қасиеттерімен байланысты екені анықталды. Якобсен және оның әріптестері әзірлеген полициклизация төменде көрсетілген катализаторды пайдалана отырып, әсіресе күшті катионπ әсерін көрсетеді.

Анион π өзара әрекеттесуі

Көптеген аспектілерде анионπ өзара әрекеттесуі катионπ өзара әрекеттесуінің қарама-қарсысы, бірақ негізгі принциптер бірдей. Қазіргі таңда мысалдар едәуір аз. Теріс зарядты тарту үшін π жүйесінің зарядты бөлуі кері бұрылуы керек. Бұл π жүйесінің бойына бірнеше күшті электронды кері қайтаратын зауыттарды (мысалы, гексафторбензол) орналастыру арқылы жүзеге асырылады. Анионπ әсері арнайы аниондарға арналған химиялық сенсорларда тиімді пайдаланылады.