Взаимодействие катиона и пи

редактировать
Взаимодействие катиона с π между бензолом и катионом натрия .

Катион-π взаимодействие представляет собой нековалентное молекулярное взаимодействие между гранью богатой электронами π-системы (например, бензол, этилен, ацетилен ) и соседний катион (например, Li, Na). Это взаимодействие является примером нековалентной связи между монополем (катионом) и квадруполем (π-система). Энергии связи являются значительными, причем значения фазы раствора находятся в пределах того же порядка величины, что и водородные связи и солевые мостики. Подобно этим другим нековалентным связям, взаимодействия катион-π играют важную роль в природе, особенно в структуре белка, молекулярном распознавании и ферментативном катализе. Эффект также наблюдался и был использован в синтетических системах.

π-система выше и ниже бензольного кольца приводит к квадрупольному распределению заряда.

Содержание

  • 1 Происхождение эффект
  • 2 Природа взаимодействия катион – π
  • 3 Факторы, влияющие на прочность связи катион – π
    • 3.1 Природа катиона
    • 3.2 Сольватационные эффекты
    • 3.3 Природа π-системы
      • 3.3.1 Квадрупольный момент
      • 3.3.2 Заместители в ароматическом кольце
      • 3.3.3 Связывание с гетероароматическими системами
    • 3.4 Геометрия
  • 4 Относительная сила взаимодействия
  • 5 В природе
    • 5.1 Роль в структура белка
    • 5.2 Молекулярное распознавание и передача сигналов
    • 5.3 Ферментный катализ
  • 6 В синтетических системах
    • 6.1 Твердотельные структуры
    • 6.2 Супрамолекулярные рецепторы
    • 6.3 Использование π-π, CH-π, и π-катионные взаимодействия в супрамолекулярной сборке
    • 6.4 Органический синтез и катализ
  • 7 Взаимодействие анионов с π
  • 8 См. также
  • 9 Ссылки
  • 10 Источники

Происхождение эффекта

Benze ne, модельная π-система, не имеет постоянного дипольного момента, так как вклад слабополярных связей углерод-водород нейтрализуется из-за симметрии молекулы. Однако богатая электронами π-система выше и ниже бензольного кольца несет частичный отрицательный заряд. Уравновешивающий положительный заряд связан с плоскостью атомов бензола, что приводит к электрическому квадруполю (пара диполей, выровненных как параллелограмм, так что суммарный молекулярный дипольный момент отсутствует). Отрицательно заряженная область квадруполя может тогда благоприятно взаимодействовать с положительно заряженными частицами; особенно сильный эффект наблюдается с катионами с высокой плотностью заряда .

Природа взаимодействия катион-π

Наиболее изученные взаимодействия катион-π включают связывание между ароматическим π системы и катион щелочного металла или азотистого. Оптимальная геометрия взаимодействия помещает катион в ван-дер-ваальсовый контакт с ароматическим кольцом, центрированным на вершине π-грани вдоль 6-кратной оси. Исследования показали, что электростатика доминирует во взаимодействиях в простых системах, а относительные энергии связи хорошо коррелируют с потенциальной электростатической энергией.

Электростатическая модель, разработанная Догерти и его коллегами, описывает тенденции в энергии связи на основе различий в электростатическое притяжение. Было обнаружено, что энергии взаимодействия катион-π-пар хорошо коррелируют с электростатическим потенциалом над π-гранью аренов: для одиннадцати Na-ароматических аддуктов изменение энергии связи между различными аддуктами может быть полностью объяснено электростатическими различиями. Практически это позволяет качественно прогнозировать тенденции на основе визуальных представлений карт электростатического потенциала для ряда аренов. Электростатическое притяжение - не единственный компонент связи катион – π. Например, 1,3,5-трифторбензол взаимодействует с катионами, несмотря на пренебрежимо малый квадрупольный момент. Несмотря на то, что присутствуют неэлектростатические силы, эти компоненты остаются похожими в широком спектре аренов, что делает электростатическую модель полезным инструментом для прогнозирования относительных энергий связи. Другие «эффекты», способствующие связыванию, не совсем понятны. Поляризация, донорно-акцепторное и взаимодействия с переносом заряда были задействованы; однако энергетические тенденции плохо соотносятся со способностью аренов и катионов использовать эти эффекты. Например, если индуцированный диполь был контролирующим эффектом, алифатические соединения, такие как циклогексан, должны быть хорошими π-партнерами катиона (но не таковыми).

Катион– π-взаимодействие нековалентно и поэтому принципиально отличается от связывания переходных металлов и π-систем. Переходные металлы обладают способностью делить электронную плотность с π-системами через d-орбитали, создавая связи, которые имеют очень ковалентный характер и не могут быть смоделированы как взаимодействие катион – π.

Факторы, влияющие на прочность связи катион-π

Несколько критериев влияют на прочность связи: природа катиона, эффекты сольватации, природа π-системы, и геометрия взаимодействия.

Природа катиона

Из электростатики (закон Кулона ) меньшие и более положительно заряженные катионы приводят к большему электростатическому притяжению. Поскольку взаимодействия катион-π предсказываются электростатикой, отсюда следует, что катионы с большей плотностью заряда сильнее взаимодействуют с π-системами.

В следующей таблице показан ряд свободной энергии Гиббса связывания бензола с несколькими катионами в газовой фазе. Для однозарядных частиц энергия газофазного взаимодействия коррелирует с ионным радиусом, rion {\ displaystyle r _ {\ mathrm {ion}}}{\ displaystyle r _ {\ mathrm {ion}} } (несферический ионные радиусы являются приблизительными).

MLiNaKNH4RbNMe 4
–ΔG [ккал / моль]38271919169
rion {\ displaystyle r _ {\ mathrm {ion}}}{\ displaystyle r _ {\ mathrm {ion}} } [Å]0,761,021,381,431,522,45

Эта тенденция поддерживает идею о том, что кулоновские силы играют центральную роль в силе взаимодействия, поскольку для других типов связи можно ожидать большие и более поляризуемые ионы имеют большую энергию связи.

Эффекты сольватации

Природа растворителя также определяет абсолютную и относительную прочность связывания. Большинство данных о взаимодействии катионов с π получено в газовой фазе , поскольку в этом случае притяжение наиболее заметно. Любая промежуточная молекула растворителя будет ослаблять эффект, потому что энергия, полученная за счет взаимодействия катион-π, частично компенсируется потерей энергии сольватации.

Для данного аддукта катион – π энергия взаимодействия уменьшается с увеличением полярности растворителя. Это можно увидеть по следующим расчетным энергиям взаимодействия метиламмония и бензола в различных растворителях.

Расчетные энергии взаимодействия метиламония и бензола в различных растворителях

Кроме того, компромисс между сольватацией и эффектом катион-π приводит к изменению порядка силы взаимодействия для ряда катионов. В то время как в газовой фазе наиболее плотно заряженные катионы имеют самое сильное взаимодействие катион-π, эти ионы также имеют высокий штраф за десольватацию. Это демонстрируется относительной силой связи катион – π в воде для щелочных металлов:

K +>Rb + ≫ Na +, Li + {\ displaystyle {\ ce {K +>Rb + \ gg Na +, Li +}}}{\displaystyle {\ce {K+>Rb + \ gg Na +, Li +}}}

Природа π-системы

Квадрупольный момент

Сравнение квадрупольного момента различных аренов является полезным качественным инструментом для прогнозирования тенденций в связывании катионов π, поскольку оно примерно коррелирует с силой взаимодействия.Арены с большим квадрупольным моментом обычно лучше связывают катионы.

Однако модель квадрупольно-ионной системы не может использоваться для количественного моделирования катион-π-взаимодействий. модели предполагают точечные заряды и поэтому недействительны с учетом короткого расстояния связи катион – π. Чтобы использовать электростатику для прогнозирования энергий, необходимо учитывать всю поверхность электростатического потенциала, а не чем просто квадрупольный момент в качестве точечного заряда.

Заместители на ароматическом кольце

Энергия связи (в ккал / моль) для Na с бензолом с прототипными заместителями.

Электронные свойства заместители также влияют на силу притяжения. Электроноакцепторные группы (например, циано -CN) ослабляют взаимодействие, тогда как электронодонорные заместители (например, амино-NH 2) усиливают связывание катион-π. Эта взаимосвязь количественно проиллюстрирована на марже для нескольких заместителей.

Электронные тренды энергии связи катион – π не совсем аналогичны тенденциям реакционной способности арила. В самом деле, эффект участия заместителя в резонансе не вносит существенного вклада в связывание катион-π, несмотря на то, что он очень важен во многих химических реакциях с аренами. Это было показано наблюдением, что сила взаимодействия катион-π для различных замещенных аренов коррелирует с σ мета параметром Хаммета. Этот параметр предназначен для иллюстрации индуктивного воздействия функциональных групп на арильное кольцо.

Происхождение эффектов заместителя во взаимодействиях катион-π часто приписывается поляризация от отдачи или вывода электронов в π-систему или из нее. Это объяснение имеет интуитивный смысл, но последующие исследования показали, что оно ошибочно. Недавние вычислительные работы Уиллера и Хоука убедительно показывают, что этот эффект в первую очередь обусловлен прямым взаимодействием в пространстве между катионом и диполем-заместителем. В этом исследовании расчеты, моделирующие незамещенный бензол плюс взаимодействие с молекулой «H-X», расположенной там, где должен быть заместитель (с поправкой на лишние атомы водорода), составили почти всю тенденцию связывания катион-π. Для очень сильных доноров или акцепторов пи эта модель не могла полностью учесть все взаимодействие; в этих случаях поляризация может быть более значительным фактором.

Связывание с гетероароматическими системами

Гетероциклы часто активируются в направлении связывания катион-π, когда неподеленная пара на гетероатоме включена в ароматическую систему (например, индол, пиррол ). И наоборот, когда неподеленная пара не способствует ароматичности (например, пиридин ), электроотрицательность гетероатома побеждает и ослабляет способность связывания катион-π.

Поскольку несколько классически «богатых электронами» гетероциклов являются плохими донорами, когда дело доходит до связывания катион-π, нельзя предсказать тенденции катион-π на основе тенденций реакционной способности гетероцикла. К счастью, вышеупомянутые тонкости проявляются в электростатических потенциальных поверхностях соответствующих гетероциклов.

Электростатический потенциал гетероциклов.tif

взаимодействие катион-гетероцикл не всегда является взаимодействием катион-π; в некоторых случаях более выгодно, чтобы ион был связан непосредственно с неподеленной парой. Например, считается, что это имеет место в комплексах пиридин-Na.

Геометрия

взаимодействия катион – π имеют приблизительную зависимость от расстояния 1 / r, где n <2. The interaction is less sensitive to distance than a simple ion-quadrupole interaction which has 1/r dependence.

Исследование, проведенное Шериллом и его коллегами, дополнительно исследовало геометрию взаимодействия, подтвердив, что взаимодействия катион-π наиболее сильны, когда катион расположен перпендикулярно плоскости атомов (θ = 0 градусов на изображении ниже). Отклонения от этой геометрии все еще демонстрируют значительное взаимодействие, которое ослабевает, когда угол θ приближается к 90 градусам. Для внеосевых взаимодействий предпочтительный ϕ помещает катион между двумя атомами H. Расстояние между равновесными связями также увеличивается с увеличением внеосевого угла. Энергии, при которых катион копланарен углеродному кольцу, представляют собой седловые точки на поверхности потенциальной энергии, что согласуется с идеей о том, что взаимодействие между катионом и положительной областью квадруполя является не идеально.

Катион-pi взаимодействия.tif

Относительная сила взаимодействия

В водной среде взаимодействие катион – π сравнимо (и потенциально сильнее) с солевыми мостиками аммония и карбоксилата . Расчетные значения, приведенные ниже, показывают, что с увеличением полярности растворителя сила комплекса катион-π уменьшается менее резко. Эта тенденция может быть объяснена эффектами десольватации: образование солевых мостиков имеет высокий штраф за десольватацию для обоих заряженных частиц, тогда как комплекс катион-π будет платить только значительный штраф за катион.

Солевой мостик против катиона-pi.tif

В природе

Здание природы блоки содержат ароматические фрагменты в большом количестве. Недавно стало ясно, что многие структурные особенности, которые когда-то считались чисто гидрофобными по природе, на самом деле участвуют в взаимодействиях катион-π. Боковые цепи аминокислоты фенилаланина, триптофана, тирозина, гистидина способны связываться с катионными виды, такие как заряженные боковые цепи аминокислот, ионы металлов, низкомолекулярные нейротрансмиттеры и фармацевтические агенты. Фактически, сайты связывания макромолекул, которые, как предполагалось, включают анионные группы (на основе сродства к катионам), во многих случаях, как было обнаружено, состоят из ароматических остатков. Взаимодействия катион – π могут настраивать pKa азотистых боковых цепей, увеличивая распространенность протонированной формы; это имеет значение для структуры и функции белка. Хотя основания ДНК менее изучены в этом контексте, они также могут участвовать в взаимодействиях катион-π.

Роль в структуре белка

Ранние доказательства того, что взаимодействия катион-π сыграли роль в структуре белка. было наблюдение, что в кристаллографических данных ароматические боковые цепи появляются в тесном контакте с азотсодержащими боковыми цепями (которые могут существовать как протонированные, катионные частицы) с непропорциональной частотой.

В исследовании, опубликованном в 1986 году Берли и Петско, изучался разнообразный набор белков и было обнаружено, что ~ 50% ароматических остатков Phe, Tyr и Trp находятся в пределах 6Å от аминогрупп. Кроме того, примерно 25% азотсодержащих боковых цепей Lys, Asn, Gln и His находились в ван-дер-ваальсовом контакте с ароматическими соединениями, а 50% Arg контактировали с множеством ароматических остатков (в среднем 2).

Исследования на более крупных наборах данных были обнаружены аналогичные тенденции, в том числе несколько впечатляющих наборов чередующихся наборов катионных и ароматических боковых цепей. В некоторых случаях атомы водорода N-H были выровнены по ароматическим остаткам, а в других катионный фрагмент был расположен выше π-системы. Особенно сильная тенденция была обнаружена для тесных контактов между Arg и Trp. В частности, гуанидиниевый фрагмент Arg имеет высокую склонность к наложению на ароматические остатки, а также к образованию водородных связей с соседними атомами кислорода.

Молекулярное распознавание и передача сигналов

Катионный Ацетилхолин связывание с остатком триптофана никотинамидно-ацетилхолинового рецептора посредством катион-π-эффекта.

Пример взаимодействия катион-π при молекулярном распознавании можно увидеть в никотиновом ацетилхолиновом рецепторе ( nAChR), который связывает свой эндогенный лиганд, ацетилхолин (положительно заряженная молекула) посредством взаимодействия катион-π с четвертичным аммонием. Нейрорецептор nAChR представляет собой хорошо изученный лиганд-управляемый ионный канал, который открывается при связывании ацетилхолина. Рецепторы ацетилхолина являются терапевтическими мишенями для множества неврологических расстройств, включая болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, шизофрению, депрессию и аутизм. Исследования Догерти с соавторами подтвердили, что взаимодействия катион-π важны для связывания и активации nAChR путем внесения определенных структурных изменений в ключевой остаток триптофана и корреляции результатов активности со способностью связывания катион-π.

nAChR особенно важен. связывает никотин в мозге и играет ключевую роль в никотиновой зависимости. Никотин имеет фармакофор, аналогичный ацетилхолину, особенно когда он протонирован. Убедительные доказательства подтверждают, что катион-π-взаимодействия играют центральную роль в способности никотина избирательно активировать рецепторы мозга, не влияя на мышечную активность.

Ацетилхолин-никотин.tif

Еще один пример можно увидеть в растении УФ-В белке, воспринимающем УФР8. Несколько остатков триптофана взаимодействуют посредством катион-π-взаимодействий с остатками аргинина, которые, в свою очередь, образуют солевые мостики с кислотными остатками на второй копии белка. Было высказано предположение, что поглощение фотона остатками триптофана нарушает это взаимодействие и приводит к диссоциации димера белка.

Связывание катион-π также считается важным для распознавания клеточной поверхности

Ферментный катализ

Взаимодействие катион-π может катализировать химические реакции, стабилизируя накопление положительного заряда в переходные состояния. Такой эффект наблюдается в ферментативных системах. Например, ацетилхолинэстераза содержит важные ароматические группы, которые связывают четвертичный аммоний в ее активном центре.

Ферменты полициклизации также зависят от катион-π-взаимодействий. Поскольку инициируемая протонами полицилизация сквалена протекает через (потенциально согласованный) катионный каскад, взаимодействия катион – π идеальны для стабилизации этого диспергированного положительного заряда. Кристаллическая структура сквален-гопенциклазы показывает, что активный центр выстлан ароматическими остатками.

Циклизация сквалена с образованием гопена

В синтетических системах

Твердотельные структуры

В кристаллах наблюдались взаимодействия катион-π синтетических молекул. Например, Аоки и его коллеги сравнили твердые структуры холинового эфира индол-3-уксусной кислоты и незаряженного аналога. В заряженных частицах наблюдается внутримолекулярное взаимодействие катион-π с индолом, а также взаимодействие с индольным фрагментом соседней молекулы в решетке. В кристалле изостерического нейтрального соединения не наблюдается такого же сворачивания, и нет никаких взаимодействий между трет-бутильной группой и соседними индолами.

Катион – π-взаимодействие в холиновом эфире индол-3-уксусной кислоты по сравнению с нейтральным аналогом

Супрамолекулярные рецепторы

Циклофановый комплекс хозяин-гость

Некоторые из первых исследований взаимодействия катион-π включали поиск при взаимодействиях заряженных азотистых молекул в циклофане химии хозяин – гость. Было обнаружено, что даже когда анионные солюбилизирующие группы были добавлены к ароматическим капсулам хозяина, катионные гости во многих случаях предпочитали связываться с π-системой. Тип хозяина, показанный справа, также был способен катализировать реакции N-алкилирования с образованием катионных продуктов.

Совсем недавно связывание катион-π-центрированного субстрата и катализ был вовлечен в супрамолекулярный Кластерные каталитические системы металл-лиганд, разработанные Раймондом и Бергманом.

Использование взаимодействий π-π, CH-π и π-катионов в супрамолекулярной сборке

π- системы являются важными строительными блоками в супрамолекулярной сборке из-за их универсальных нековалентных взаимодействий с различными функциональными группами. В частности, взаимодействия π-π, CH-π и π-катионов широко используются в супрамолекулярной сборке и распознавании.

Фиг. 1: Примеры π-π. CH-π и π-катионные взаимодействия

π-π-взаимодействие касается прямых взаимодействий между двумя pi-системами; а взаимодействие катион – π возникает в результате электростатического взаимодействия катиона с гранью π-системы. В отличие от этих двух взаимодействий, взаимодействие CH-π возникает в основном из-за переноса заряда между орбиталью C-H и π-системой.

Ярким примером применения π-π взаимодействий в супрамолекулярной сборке является синтез катенана. Основная задача синтеза катенана - это контролируемая блокировка молекул. Стоддарт и его сотрудники разработали серию систем, использующих сильные π-π-взаимодействия между богатыми электронами производными бензола и бедными электронами пиридиниевыми кольцами. [2] Катанен был синтезирован взаимодействием бис (пиридиния) (A), биспарафенилена-34-краун-10 (B) и 1,4-бис (бромметил) бензола C (рис. 2). Π-π-взаимодействие между A и B направляет образование взаимосвязанного промежуточного соединения-матрицы, которое затем подвергается циклизации путем реакции замещения соединением C с образованием продукта [2] катенана.

Рис. 2: Стоддартский синтез [2] катенана

Органический синтез и катализ

Взаимодействия катион – π, вероятно, были важны, хотя и не замечены, во множестве органических реакций исторически. Однако в последнее время внимание привлекли потенциальные применения в конструкции катализаторов. В частности, было обнаружено, что нековалентные органокатализаторы иногда проявляют тенденции реакционной способности и селективности, которые коррелируют со свойствами связывания катион-π. Полициклизация, разработанная Якобсеном и его сотрудниками, демонстрирует особенно сильный эффект катион-π при использовании катализатора, показанного ниже.

полициклизация Якобсена.tif

Взаимодействие анион-π

Квадрупольные моменты бензола и гексафторбензола. Полярность инвертирована из-за различий в электроотрицательности водорода и фтора по отношению к углероду; инвертированный квадрупольный момент гексафторбензола необходим для взаимодействий анион-pi.

Во многих отношениях взаимодействие анион -π противоположно взаимодействию катион-π, хотя лежащие в основе принципы идентичны. На сегодняшний день известно значительно меньше примеров. Чтобы привлечь отрицательный заряд, распределение заряда π-системы должно быть обращено на противоположное. Это достигается размещением нескольких сильных электроноакцепторных заместителей вдоль π-системы (например, гексафторбензол ). Эффект анион-π преимущественно используется в химических сенсорах для определенных анионов.

См. Также

Ссылки

Источники

Последняя правка сделана 2021-05-14 12:44:01
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте