Введение
Химическая связь, не включающая в себя обмен электронами.
В химии нековалентное взаимодействие отличается от ковалентной связи тем, что не предполагает обмена электронами, а скорее представляет собой более диффузные формы электромагнитных взаимодействий между молекулами или внутри одной молекулы. Химическая энергия, выделяющаяся при образовании нековалентных взаимодействий, обычно составляет 1–5 ккал/моль (1000–5000 калорий на 6,02 молекулы). Нековалентные взаимодействия можно классифицировать на различные категории, такие как электростатические, π-эффекты, силы Ван-дер-Ваальса и гидрофобные эффекты. Они критически важны для поддержания трехмерной структуры крупных молекул, таких как белки и нуклеиновые кислоты. Они также участвуют во многих биологических процессах, в которых крупные молекулы специфически, но временно связываются друг с другом (см. раздел "Свойства" страницы, посвященной ДНК). Эти взаимодействия также оказывают значительное влияние на разработку лекарств, кристалличность и создание материалов, особенно для самосборки, и в целом на синтез многих органических молекул. Нековалентные взаимодействия могут возникать между различными частями одной и той же молекулы (например, при сворачивании белка) или между разными молекулами и поэтому также рассматриваются как межмолекулярные силы.
Ионные
Ионные взаимодействия включают в себя притяжение ионов или молекул с полными постоянными зарядами противоположных знаков. Например, в фториде натрия происходит притяжение положительного заряда натрия (Na+) к отрицательному заряду фторида (F−). Однако это конкретное взаимодействие легко разрушается при добавлении воды или других высокополярных растворителей. В воде образование ионных пар в основном обусловлено энтропией; один соляной мост обычно обеспечивает значение притяжения около ΔG = 5 кДж/моль при умеренной ионной силе I, а при I, близкой к нулю, это значение возрастает примерно до 8 кДж/моль. Значения ΔG обычно аддитивны и в значительной степени не зависят от природы участвующих ионов, за исключением ионов переходных металлов и т.п. Эти взаимодействия также наблюдаются в молекулах с локализованным зарядом на определенном атоме. Например, полный отрицательный заряд, присущий этиоксид-иону, конъюгированной основе этанола, чаще всего сопровождается положительным зарядом соли щелочного металла, такого как катион натрия (Na+).
Водородные связи
Водородная связь (H-связь) — это специфический тип взаимодействия, основанный на диполь-дипольном притяжении между частично положительным атомом водорода и высокоэлектроотрицательным, частично отрицательным атомом кислорода, азота, серы или фтора (не связанным ковалентной связью с этим атомом водорода). Это не ковалентная связь, а сильное нековалентное взаимодействие. Именно благодаря ей вода находится в жидком состоянии при комнатной температуре, а не в газообразном (учитывая её низкую молекулярную массу). Обычно прочность водородных связей составляет от 0 до 4 ккал/моль, но в некоторых случаях может достигать 40 ккал/моль.
Галогеновая связь
Галогеновая связь — это тип нековалентного взаимодействия, который не предполагает образования или разрыва настоящих химических связей, а скорее аналогичен диполь-дипольному взаимодействию, известному как водородная связь. В галогеновой связи атом галогена выступает в роли электрофила, или частицы, стремящейся к электронам, и образует слабое электростатическое взаимодействие с нуклеофилом, или частицей, богатой электронами. Нуклеофильный агент в этих взаимодействиях, как правило, обладает высокой электроотрицательностью (например, кислород, азот или сера) или может быть анионным, неся формальный отрицательный заряд. По сравнению с водородной связью, атом галогена занимает место частично положительно заряженного водорода в качестве электрофила. Галогеновую связь не следует путать с галогено-ароматическими взаимодействиями, поскольку они связаны, но различаются по определению. Галогено-ароматические взаимодействия включают в себя электронно-богатое ароматическое π-облако в качестве нуклеофила; галогеновая связь ограничена моноатомными нуклеофилами. В частности, диполь может вызывать электростатическое притяжение или отталкивание электронов от неполярной молекулы, в зависимости от ориентации входящего диполя. Это самые слабые типы нековалентных взаимодействий. Однако в органических молекулах множество контактов может приводить к более существенному вкладу, особенно в присутствии гетероатомов. Они также известны как «индуцированные диполь-дипольные взаимодействия» и присутствуют между всеми молекулами, даже теми, которые изначально не имеют постоянных диполей. Дисперсионные взаимодействия усиливаются с увеличением поляризуемости взаимодействующих групп, но ослабляются растворителями с повышенной поляризуемостью. Они вызваны временным отталкиванием электронов от электронов соседней молекулы, что приводит к образованию частично положительного диполя на одной молекуле и частично отрицательного диполя на другой. В качестве простого примера, бензольное кольцо с его полностью сопряженным π-облаком будет взаимодействовать двумя основными способами (и одним второстепенным) с соседним бензольным кольцом посредством π–π взаимодействия (см. рисунок 3). Два основных способа укладки бензольных колец — это край к лицу, с энтальпией около 2 ккал/моль, и со смещением (или скольжением), с энтальпией около 2,3 ккал/моль. Например, ион натрия может легко располагаться над π-облаком молекулы бензола, обладая симметрией C6 (см. рисунок 4). Взаимодействия анион–π очень похожи на взаимодействия катион–π, но обращены в противоположную сторону. В этом случае анион располагается над π-системой, обедненной электронами, обычно создаваемой введением электроноакцепторных заместителей в сопряженную молекулу.
Полярный
Полярные π-взаимодействия включают молекулы с постоянными диполями (например, воду), взаимодействующие с квадрупольным моментом π-системы (например, в бензоле, см. рисунок 5). Хотя они не так сильны, как катион-π взаимодействие, эти взаимодействия могут быть достаточно сильными (~1–2 ккал/моль) и часто участвуют в сворачивании белков и кристалличности твердых тел, содержащих как водородные связи, так и π-системы. Это явление приводит к минимизации площади поверхности неполярных молекул, контактирующей с полярными молекулами воды (обычно в форме сферических капель), и широко используется в биохимии для изучения сворачивания белков и других различных биологических процессов. По существу энтальпический гидрофобный эффект проявляется, когда ограниченное число молекул воды заключено в полости; вытеснение этих молекул воды лигандом освобождает их, позволяя им в объеме воды формировать максимум водородных связей – около четырех.
Конструкция лекарственного средства
Большинство фармацевтических препаратов представляют собой небольшие молекулы, которые вызывают физиологический ответ, «связываясь» с ферментами или рецепторами, что приводит к увеличению или уменьшению способности фермента функционировать. Связывание небольшой молекулы с белком определяется сочетанием стерических, или пространственных факторов, а также различными нековалентными взаимодействиями, хотя некоторые препараты ковалентно модифицируют активный центр (см. необратимые ингибиторы). В соответствии с «моделью ключ-замок» связывания ферментов, препарат (ключ) должен иметь примерно соответствующие размеры, чтобы соответствовать активному центру фермента (замку). Используя молекулярный каркас подходящего размера, препараты также должны нековалентно взаимодействовать с ферментом для максимизации константы аффинности связывания и снижения способности препарата диссоциировать от активного центра. Это достигается за счет формирования различных нековалентных взаимодействий между малой молекулой и аминокислотами в активном центре, включая: водородные связи, электростатические взаимодействия, π-π стэкинг, взаимодействия Ван-дер-Ваальса и диполь-дипольные взаимодействия. Разработаны нековалентные металлосодержащие препараты. Например, были синтезированы динуклеарные тройные спиральные соединения, в которых три нити лигандов обвиваются вокруг двух металлов, образуя приблизительно цилиндрический тетракатион. Эти соединения связываются с менее распространенными структурами нуклеиновых кислот, такими как дуплексная ДНК, Y-образные развилки и четырехпутные соединения.
Складка и структура белка
Сворачивание белков из первичной (линейной) последовательности аминокислот в трехмерную структуру направляется всеми типами нековалентных взаимодействий, включая гидрофобные силы и образование внутримолекулярных водородных связей. Трехмерные структуры белков, включая вторичную и третичную структуры, стабилизируются образованием водородных связей. Путем серии небольших конформационных изменений пространственные ориентации модифицируются для достижения энергетически наиболее выгодной ориентации. Сворачивание белков часто облегчается ферментами, известными как молекулярные шапероны. Стерические факторы, напряжение связей и угловое напряжение также играют важную роль в сворачивании белка из его первичной последовательности в третичную структуру. Отдельные третичные белковые структуры также могут собираться, образуя белковые комплексы, состоящие из нескольких независимо свернутых субъединиц. В целом, это называется четвертичной структурой белка. Четвертичная структура формируется за счет образования относительно прочных нековалентных взаимодействий, таких как водородные связи, между различными субъединицами, что приводит к образованию функционального полимерного фермента. Некоторые белки также используют нековалентные взаимодействия для связывания кофакторов в активном центре во время катализа, однако кофактор может также ковалентно присоединяться к ферменту. Кофакторами могут быть органические или неорганические молекулы, которые способствуют каталитическому механизму активного фермента. Прочность связывания кофактора с ферментом может значительно варьироваться; кофакторы, связанные нековалентно, обычно удерживаются водородными связями или электростатическими взаимодействиями.
Точки кипения
Нековалентные взаимодействия оказывают значительное влияние на температуру кипения жидкости. Температура кипения определяется как температура, при которой давление паров жидкости равно давлению окружающей среды. Проще говоря, это температура, при которой жидкость переходит в газообразное состояние. Как и следовало ожидать, чем сильнее нековалентные взаимодействия, присутствующие в веществе, тем выше его температура кипения. Например, рассмотрим три соединения с похожим химическим составом: натрия н-бутоксид (C4H9ONa), диэтиловый эфир (C4H10O) и н-бутанол (C4H9OH). Преобладающие нековалентные взаимодействия, связанные с каждым из этих веществ в растворе, показаны на рисунке выше. Как уже обсуждалось, для разрыва ионных взаимодействий требуется значительно больше энергии, чем для разрыва водородных связей, которые, в свою очередь, требуют больше энергии, чем диполь-дипольные взаимодействия. Наблюдаемые тенденции в температурах кипения (рисунок 8) точно соответствуют ожидаемой корреляции: для кипения натрия н-бутоксида требуется значительно больше тепловой энергии (более высокая температура), чем для кипения н-бутанола, который, в свою очередь, кипит при гораздо более высокой температуре, чем диэтиловый эфир. Тепловая энергия, необходимая для перехода соединения из жидкого состояния в газообразное, связана с энергией, необходимой для преодоления межмолекулярных сил, действующих на каждую молекулу в жидком состоянии.