Введение

Нековалентное молекулярное взаимодействие Катионπ - это нековалентное молекулярное взаимодействие между поверхностью электронно-богатой системы π (например, бензола, этилена, ацетилена) и соседним катионом (например, Li+, Na+). Это взаимодействие является примером нековалентной связи между монополом (катион) и квадрополом (система π). Энергии связывания значительны, при этом значения фазы раствора находятся в том же порядке величины, что и водородные связи и соляные мосты. Как и другие не ковалентные связи, катионπ взаимодействия играют важную роль в природе, особенно в структуре белка, молекулярном распознавании и катализате ферментов. Этот эффект также наблюдается и применяется в синтетических системах.

Источник воздействия

Бензол, модель системы π, не имеет постоянного дипольного момента, поскольку вклады слабополярных углеродныхводородных связей аннулируются из-за молекулярной симметрии. Однако, электронная система π над и под бензольным кольцом содержит частичный отрицательный заряд. Контрбалансирующий положительный заряд связан с плоскостью атомов бензола, в результате чего возникает электрический квадропол (пара диполов, выровненных как параллелограмм, поэтому нет чистого молекулярного дипольного момента). Отрицательно заряженная область квадрополя может тогда взаимодействовать благоприятно с положительно заряженными видами; особенно сильный эффект наблюдается с катионами с высокой плотностью заряда. Исследования показали, что электростатика доминирует в взаимодействиях в простых системах, а относительная связывающая энергия хорошо коррелирует с электростатической потенциальной энергией. Электростатическая модель, разработанная Догерти и его коллегами, описывает тенденции в энергии связывания, основанные на различиях в электростатическом притяжении. Было обнаружено, что энергии взаимодействия пар катионов π хорошо коррелируют с электростатическим потенциалом над π-лицом арен: для одиннадцати ароматических аддуктов Na + изменение энергии связывания между различными аддуктами может быть полностью рационализовано электростатическими различиями. На практике это позволяет качественно прогнозировать тенденции на основе визуальных представлений карт электростатического потенциала для ряда аренов. Электростатическое притяжение - не единственный компонент катионной связи. Например, трифторбензол 1,3,5 взаимодействует с катионами, несмотря на незначительный квадропольный момент. Хотя присутствуют и неэлектростатические силы, эти компоненты остаются похожими на широком спектре аренов, что делает электростатическую модель полезным инструментом для прогнозирования относительной энергии связывания. Другие "эффекты", способствующие связыванию, не совсем понятны. Поляризация, донорские акцепторы и взаимодействия передачи заряда были замешаны; однако, энергетические тенденции не отслеживаются хорошо с способностью арен и катионов использовать эти эффекты. Например, если индуцированный диполь был контролирующим эффектом, алифатические соединения, такие как циклогексан, должны быть хорошими катионными партнерами (но это не так). Для однозаряженных видов энергия взаимодействия газовой фазы коррелирует с ионным радиусом (несферические ионные радиусы являются приблизительными). 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 Эта тенденция поддерживает идею о том, что куломбические силы играют центральную роль в силе взаимодействия, поскольку для других типов связывания можно ожидать, что более крупные и более поляризуемые ионы будут иметь большую энергию связывания.

Четверополярный момент

Сравнение квадропольного момента различных арен является полезным качественным инструментом для прогнозирования тенденций в связывании катионовπ, поскольку оно примерно коррелирует со степенью взаимодействия. Арены с большими квадропольными моментами, как правило, лучше связывают катионы. Однако, система моделирования ионных квадрополей не может быть использована для количественного моделирования катионныхπ взаимодействий. Такие модели предполагают точечные заряды и поэтому не важны с учетом короткого расстояния катионаπ. Для того, чтобы использовать электростатику для прогнозирования энергий, должна быть рассмотрена полная поверхность электростатического потенциала, а не только квадропольный момент как точечный заряд. Группы, отбирающие электроны (например, циано-CN), ослабляют взаимодействие, в то время как заместители, дающие электроны (например, амино-NH2), укрепляют связь катионовπ. Эта связь количественно проиллюстрирована в марже для нескольких заместителей. Электронные тенденции в катионπ энергии связывания не совсем аналогичны тенденциям в арильной реактивности. Действительно, эффект участия в резонансе заместителем не вносит существенного вклада в связывание катионовπ, несмотря на то, что он очень важен во многих химических реакциях с аренами. Это было показано наблюдением, что сила взаимодействия катионовπ для различных замещенных арен коррелирует с параметром Хамметта. Этот параметр предназначен для иллюстрации индуктивного воздействия функциональных групп на арильное кольцо. Это объяснение имеет интуитивный смысл, но последующие исследования показали, что оно ошибочно. Недавние вычислительные работы Уилера и Хоука сильно указывают на то, что эффект в первую очередь обусловлен прямым космическим взаимодействием между катионом и замещающим диполом. В этом исследовании расчеты, моделирующие взаимодействие незамещенного бензола с молекулой "H X", расположенной там, где будет замещающий элемент (корректируя дополнительные атомы водорода), объясняли почти всю тенденцию связывания катионовπ. Для очень сильных доноров или приемников пи эта модель не была вполне способна учитывать все взаимодействие; в этих случаях поляризация может быть более значимым фактором. Исследование Шеррилла и его коллег исследовало геометрию взаимодействия, подтвердив, что катионπ взаимодействия наиболее сильны, когда катион расположен перпендикулярно плоскости атомов (θ = 0 градусов на изображении ниже). Вариации этой геометрии по-прежнему демонстрируют значительное взаимодействие, которое ослабевает по мере приближения угла θ к 90 градусам. Для взаимодействия вне оси предпочтительный φ помещает катион между двумя атомами H. Расстояния между равновесными связями также увеличиваются с углом от оси. Энергии, где катион является сопланарным с углеродным кольцом, являются седловыми точками на потенциальной энергетической поверхности, что согласуется с идеей, что взаимодействие между катионом и положительной областью квадрополя не является идеальным.

Относительная сила взаимодействия

В водной среде катионπ взаимодействует со сходными (и потенциально более сильными) сольными мостами карбоксилата аммония. Вычисленные ниже значения показывают, что по мере увеличения полярности растворителя сила катионаπ комплекса снижается менее резко. Эта тенденция может быть рационализирована эффектами опустошения: образование соляного моста имеет высокую пени опустошения для обоих заряженных видов, тогда как комплекс катионов π будет платить значительный штраф только за катион. Хотя в этом контексте они менее изучены, основания ДНК также способны участвовать в катионныхπ взаимодействиях.

Роль в структуре белка

Ранним доказательством того, что катионныеπ взаимодействия играют роль в структуре белка, было наблюдение, что в кристаллографических данных ароматические боковые цепи появляются в тесном контакте с азотсодержащими боковыми цепями (которые могут существовать в виде протонированных катионных видов) с непропорциональной частотой. Исследование, опубликованное в 1986 году Берли и Петско, рассмотрело разнообразный набор белков и обнаружило, что ~ 50% ароматических остатков Phe, Tyr и Trp находились в пределах 6о аминогрупп. Кроме того, приблизительно 25% азота, содержащего боковые цепи Lys, Asn, Gln и His, находились в контакте ван дер Ваальса с ароматическими веществами, а 50% Arg в контакте с множественными ароматическими остатками (в среднем 2). Исследования более крупных наборов данных обнаружили аналогичные тенденции, включая некоторые драматические массивы чередующихся стеков катионных и ароматических боковых цепей. В некоторых случаях N H водороды были выровнены к ароматическим остаткам, а в других катионная часть была уложены над системой π. Особенно сильная тенденция была обнаружена в тесных контактах между Arg и Trp. Гуанидиниевая часть Арга, в частности, имеет высокую склонность к насыщению на ароматические остатки, а также к связыванию водорода с близлежащими атомами кислорода.

Катализа ферментов

Взаимодействие катионаπ может каталитизировать химические реакции путем стабилизации накопления положительного заряда в переходных состояниях. Этот эффект наблюдается в ферментативных системах. Например, ацетилхолиноэстераза содержит важные ароматические группы, которые связывают кватернарный аммоний в его активном месте.

Твердотельные структуры

Взаимодействия катионаπ наблюдаются и в кристаллах синтетических молекул. Например, Аоки и его коллеги сравнили структуры твердого состояния холинового эфира кислоты уксусной Индоле-3 и незаряженного аналога. В заряженных видах наблюдается внутримолекулярное катионπ взаимодействие с индолом, а также взаимодействие с индольной долей соседней молекулы в решетке. В кристалле изостерического нейтрального соединения такой же склад не наблюдается, и нет взаимодействий между терт-бутильной группой и соседними индолами.

Супрамолекулярные рецепторы

Некоторые из первых исследований взаимодействия катионаπ включали изучение взаимодействий заряженных азотистых молекул в химии циклофана-хозяинагостя. Было обнаружено, что даже когда анионные группы растворителей были присоединены к ароматическим капсулам-хозяевам, катионные гости предпочитали ассоциироваться с системой π во многих случаях. Тип хозяина, показанный справа, также способен каталитизировать N-алкилирующие реакции для образования катионных продуктов. Совсем недавно катионπ-центрированное связывание субстратов и катализатор были включены в системе катализаторов кластеров сверхмолекулярных металлических лигандов, разработанных Реймондами и Бергманом.

Использование взаимодействий π-π, CH-π и π-катиона в сверхмолекулярных сборках

Системы π являются важными строительными блоками в сверхмолекулярной сборке из-за их универсальных нековалентных взаимодействий с различными функциональными группами. В частности, взаимодействия π, CH и π-катионов широко используются в сверхмолекулярной сборке и распознавании. Взаимодействие π π касается прямых взаимодействий между двумя системами π; и катионное взаимодействие π возникает из электростатического взаимодействия катина с поверхностью системы π. В отличие от этих двух взаимодействий, взаимодействие CH π возникает в основном из-за передачи заряда между орбиталом C H и системой π. Примечательным примером применения взаимодействий π π в сверхмолекулярной сборке является синтез катанена. Основная проблема для синтеза катенена заключается в том, чтобы контролируемым образом взаимосвязать молекулы. Стоддарт и его коллеги разработали ряд систем, использующих сильные взаимодействия π π между электронно-богатыми производными бензола и электронно-бедными кольцами пиридиния. [2]Катанен синтезировали путем реакции бис ((пиридиний) (A), биспарафенилена 34 кроны 10 (B) и 1, 4 бис ((бромметил) бензола C (рис. 2) Второй. Взаимодействие π π между A и B направляло образование взаимосвязанного промежуточного шаблона, который был далее циклизирован реакцией замещения соединением C для получения [2] продукта катенана.

Органический синтез и катализатор

Взаимодействие катионаπ, вероятно, было важным, хотя и незамеченным, в множестве органических реакций в истории. Однако в последнее время внимание было обращено на потенциальные применения в проектировании катализаторов. В частности, было обнаружено, что нековалентные органокатализаторы иногда проявляют тенденции реактивности и селективности, которые коррелируют с свойствами связывания катионов π. Полициклизация, разработанная Якобсеном и его коллегами, показывает особенно сильный эффект катионаπ с использованием катализатора, показанного ниже.

Взаимодействие анионов

Во многих отношениях взаимодействие анионаπ является противоположностью взаимодействия катионовπ, хотя основные принципы идентичны. На сегодняшний день известно значительно меньше примеров. Для того, чтобы привлечь отрицательный заряд, распределение заряда системы π должно быть обращено вспять. Это достигается путем размещения нескольких сильных электронных заместителей вдоль системы π (например, гексафторубензола). Эффект анионаπ выгодно используется в химических датчиках для определенных анионов.