Nekovalentní interakce

Nekovalentní interakce jsou síly, které drží atomy nebo molekuly pohromadě bez vytváření klasických chemických vazeb, jako jsou iontové, kovalentní nebo kovové vazby. Nekovalentní interakce lze široce interpretovat jako jemnou rovnováhu mezi elektrostatickými, indukčními (polarizačními), disperzními a výměnnými odpudivými silami. Tyto síly společně vytvářejí celkový potenciál mezimolekulárních interakcí, který určuje, jak se molekuly navzájem přitahují nebo odpuzují v závislosti na jejich vzdálenosti a orientaci.[1]

Na rozdíl od kovalentních vazeb jsou nekovalentní interakce typicky slabší a přechodnější, přesto jsou všudypřítomné v přírodě a mají zásadní význam v různých oblastech včetně biologie,[2][3][4][5] chemie,[6][7][8][9] biochemie,[10][11][12][13] medicinální chemie[14][15][16][17] a vědy o materiálech.[18][19][20][21][22][23] Nekovalentní interakce tedy ovlivňují širokou škálu jevů, od teploty varu, stabilitu molekulární struktury až po specificitu biomolekulárních interakcí.[24][25][26]

Jejich energetická škála je o řád nižší než u kovalentních vazeb. Pro srovnání, energie vazby O-H je přibližně 111 kcal/mol,[27] zatímco vodíková vazba v systému vodního dimeru je kolem 5 kcal/mol.[28]

Původ a charakteristika nekovalentních interakcí

Abychom lépe rozlišili mezi různými typy nekovalentních interakcí a poskytli podrobnější vysvětlení, je užitečné je identifikovat na základě jejich původu a charakteristik. Nekovalentní interakce mají původ v různých fyzikálních mechanismech (např. van der Waalsovy síly z interakcí permanentních nebo přechodných elektrických dipólových momentů), a mají jedinečné vlastnosti.[29]

Z teoretického hlediska lze nekovalentní interakce rozdělit na několik typů elektrostatických interakcí, které zahrnují ion-ion, ion-dipól, dipól-dipól, dipól-indukovaný dipól a indukovaný dipól-indukovaný dipól interakce.[30] Elektrostatické interakce mají svůj základ v klasické Coulombově interakci, kde rozdělení elektronů v jednotlivých molekulách zůstává neovlivněno samotnou interakcí. Na druhé straně indukce označuje změnu v elektrostatické interakci způsobenou polarizací náboje monomeru v důsledku přítomnosti jiných molekul.

Rychlé fluktuace elektronové hustoty a následná indukce multipólů jsou odpovědné za vznik disperzních sil. Na kratší vzdálenosti jsou tyto přitažlivé síly vyvažovány odpudivou silou, známou jako výměnný odpudivý efekt nebo jen prostě výměnný efekt, který vzniká díky Pauliho vylučovacímu principu. Tento efekt lze rozdělit na atraktivní část, kde elektrony mohou volněji přecházet mezi molekulami, čímž se zvyšuje neurčitost jejich poloh a umožňuje snížení hybnosti a energie, a na odpudivou část, která vzniká z nutnosti zachovat antisymetrii vlnové funkce podle Pauliho principu, tedy že elektrony se stejným spinem se sobě snaží vyhnout. Odpudivá část dominuje, což vede k celkovému odpudivému efektu. Zbylé efekty, jako jsou výměnná indukce, výměnná disperze a přenos náboje, také vznikají při překrývání vlnových funkcí a jsou součástí indukční energie.[31]

Typy nekovalentních interakcí

  • Kation-π interakce jsou založeny na vzájemném působení kationtu a aromatické části molekuly s elektrondonorními substituenty. Ukazuje se, že hlavní příspěvek k této interakci je tvořen elektrostatickou interakcí náboje kationtu se kvadrupólem aromatického systému.
  • Anion-π interakce vznikají mezi aniontem a takovou aromatickou částí molekuly, která obsahuje elektronakceptorní substituenty. Tyto substituenty způsobí to, že dojde k takové změně nábojového rozložení, která způsobí inverzi kvadrupólového momentu daného aromatického systému oproti běžným derivátům benzenu. Tudíž dojde k přitažlivému elektrostatickému působení mezi kvadrupólem aromatické části molekuly a nábojem aniontu.
  • Aren-aren interakce jsou interakce převážně disperzní povahy, kdy spolu vzájemně interagují okamžité indukované dipóly jednotlivých arenů. Rozlišují se dvě hlavní skupiny aren-aren interakcí, π-π a CH-π. První z nich se vyskytují mezi dvěma areny uspořádanými paralelně vůči sobě svými π-systémy. Zmíněná interakce je z většiny disperzního charakteru. Naproti tomu CH-π interakce se vyskytuje mezi aromatickým jádrem jednoho vazebného partnera a druhým vazebným aromatickým partnerem, který je vůči prvnímu jádru orientován svým vodíkovým atomem. V tomto případě krom disperzních interakcí hrají svou roli interakce kvadrupólů obou vazebných partnerů.
  • Elektrostatické interakce nabitých částic (neboli Coulombické síly) se vyskytují mezi nabitými částicemi. V případě souhlasných nábojů se jedná o interakce odpudivé, u nesouhlasných nábojů o interakce přitažlivé.
  • Klasické vodíkové vazby se vykytují u látek, které ve své struktuře mají kovalentně vázán atom vodíku na atomu s velkou elektronegativitou jakou jsou dusík, kyslík, fluor. V důsledku nerovnoměrně rozloženého náboje v molekule dochází ke vzniku kladného parciálního náboje na atomu vodíku a záporného na druhém atomu. Kladný parciální náboj na vodíku může interagovat interagovat s atomem se záporným parciálním nábojem v jiné molekule.
  • Halogenové vazby se vyskytují mezi elektronegativním atomem disponujícím volným nevazebným elektronovým párem (donorem) a atomem halogenu (akceptorem). V některých případech tato interakce silou dokonce překonává vodíkové vazby, které byly až do nedávna považovány za nejsilnější z mezimolekulárních interakcí.

Reference

  1. ↑ STONE, A. J. The theory of intermolecular forces. Oxford: Clarendon ISBN 9780198558835. 
  2. ↑ STREKOWSKI, Lucjan; WILSON, Beth. Noncovalent interactions with DNA: An overview. Mutation Research/Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis. Roč. 623, čís. 1-2, s. 3–13. DOI 10.1016/j.mrfmmm.2007.03.008. 
  3. ↑ ŠPONER, Jiří; ŠPONER, Judit E.; MLÁDEK, Arnošt; JUREČKA, Petr; BANÁŠ, Pavel; OTYEPKA, Michal. Nature and magnitude of aromatic base stacking in DNA and RNA: Quantum chemistry, molecular mechanics, and experiment. Biopolymers. Roč. 99, čís. 12, s. 978–988. DOI 10.1002/bip.22322. 
  4. ↑ BURLEY, S.K.; PETSKO, G.A. Weakly Polar Interactions In Proteins. Advances in Protein Chemistry. Roč. 39, s. 125–189. DOI 10.1016/S0065-3233(08)60376-9. 
  5. ↑ JENA, Subhrakant; DUTTA, Juhi; TULSIYAN, Kiran Devi; SAHU, Akshay Kumar; CHOUDHURY, Shubhranshu Shekhar; BISWAL, Himansu S. Noncovalent interactions in proteins and nucleic acids: beyond hydrogen bonding and π-stacking. Chemical Society Reviews. Roč. 51, čís. 11, s. 4261–4286. DOI 10.1039/D2CS00133K. 
  6. ↑ GRIMME, Stefan. Supramolecular Binding Thermodynamics by Dispersion‐Corrected Density Functional Theory. Chemistry – A European Journal. Roč. 18, čís. 32, s. 9955–9964. DOI 10.1002/chem.201200497. 
  7. ↑ KRONIK, Leeor; TKATCHENKO, Alexandre. Understanding Molecular Crystals with Dispersion-Inclusive Density Functional Theory: Pairwise Corrections and Beyond. Accounts of Chemical Research. Roč. 47, čís. 11, s. 3208–3216. DOI 10.1021/ar500144s. 
  8. ↑ WHEELER, Steven E.; BLOOM, Jacob W. G. Toward a More Complete Understanding of Noncovalent Interactions Involving Aromatic Rings. The Journal of Physical Chemistry A. Roč. 118, čís. 32, s. 6133–6147. DOI 10.1021/jp504415p. 
  9. ↑ MAHMUDOV, Kamran T.; GURBANOV, Atash V.; GUSEINOV, Firudin I.; GUEDES DA SILVA, M. Fátima C. Noncovalent interactions in metal complex catalysis. Coordination Chemistry Reviews. Roč. 387, s. 32–46. DOI 10.1016/j.ccr.2019.02.011. 
  10. ↑ MEYER, Emmanuel A.; CASTELLANO, Ronald K.; DIEDERICH, François. Interactions with Aromatic Rings in Chemical and Biological Recognition. Angewandte Chemie International Edition. Roč. 42, čís. 11, s. 1210–1250. DOI 10.1002/anie.200390319. 
  11. ↑ SALONEN, Laura M.; ELLERMANN, Manuel; DIEDERICH, François. Aromatic Rings in Chemical and Biological Recognition: Energetics and Structures. Angewandte Chemie International Edition. Roč. 50, čís. 21, s. 4808–4842. DOI 10.1002/anie.201007560. 
  12. ↑ RILEY, Kevin E.; HOBZA, Pavel. Noncovalent interactions in biochemistry. WIREs Computational Molecular Science. Roč. 1, čís. 1, s. 3–17. DOI 10.1002/wcms.8. 
  13. ↑ RILEY, Kevin E.; HOBZA, Pavel. On the Importance and Origin of Aromatic Interactions in Chemistry and Biodisciplines. Accounts of Chemical Research. Roč. 46, čís. 4, s. 927–936. DOI 10.1021/ar300083h. 
  14. ↑ ZHOU, P.; HUANG, J.; TIAN, F. Specific Noncovalent Interactions at Protein-Ligand Interface: Implications for Rational Drug Design. Current Medicinal Chemistry. Roč. 19, čís. 2, s. 226–238. DOI 10.2174/092986712803414150. 
  15. ↑ MUHAMMAD, Nafees; GUO, Zijian. Metal-based anticancer chemotherapeutic agents. Current Opinion in Chemical Biology. Roč. 19, s. 144–153. DOI 10.1016/j.cbpa.2014.02.003. 
  16. ↑ MJOS, Katja Dralle; ORVIG, Chris. Metallodrugs in Medicinal Inorganic Chemistry. Chemical Reviews. Roč. 114, čís. 8, s. 4540–4563. DOI 10.1021/cr400460s. 
  17. ↑ BENO, Brett R.; YEUNG, Kap-Sun; BARTBERGER, Michael D.; PENNINGTON, Lewis D.; MEANWELL, Nicholas A. A Survey of the Role of Noncovalent Sulfur Interactions in Drug Design. Journal of Medicinal Chemistry. Roč. 58, čís. 11, s. 4383–4438. DOI 10.1021/jm501853m. 
  18. ↑ DESIRAJU, Gautam R. Hydrogen Bridges in Crystal Engineering: Interactions without Borders. Accounts of Chemical Research. Roč. 35, čís. 7, s. 565–573. DOI 10.1021/ar010054t. 
  19. ↑ BRITZ, David A.; KHLOBYSTOV, Andrei N. Noncovalent interactions of molecules with single walled carbon nanotubes. Chemical Society Reviews. Roč. 35, čís. 7, s. 637. DOI 10.1039/b507451g. 
  20. ↑ RYBTCHINSKI, Boris. Adaptive Supramolecular Nanomaterials Based on Strong Noncovalent Interactions. ACS Nano. Roč. 5, čís. 9, s. 6791–6818. DOI 10.1021/nn2025397. 
  21. ↑ DISTASIO, Robert A; GOBRE, Vivekanand V; TKATCHENKO, Alexandre. Many-body van der Waals interactions in molecules and condensed matter. Journal of Physics: Condensed Matter. Roč. 26, čís. 21, s. 213202. DOI 10.1088/0953-8984/26/21/213202. 
  22. ↑ GEORGAKILAS, Vasilios; OTYEPKA, Michal; BOURLINOS, Athanasios B.; CHANDRA, Vimlesh; KIM, Namdong; KEMP, K. Christian; HOBZA, Pavel. Functionalization of Graphene: Covalent and Non-Covalent Approaches, Derivatives and Applications. Chemical Reviews. Roč. 112, čís. 11, s. 6156–6214. DOI 10.1021/cr3000412. 
  23. ↑ GEORGAKILAS, Vasilios; TIWARI, Jitendra N.; KEMP, K. Christian; PERMAN, Jason A.; BOURLINOS, Athanasios B.; KIM, Kwang S.; ZBORIL, Radek. Noncovalent Functionalization of Graphene and Graphene Oxide for Energy Materials, Biosensing, Catalytic, and Biomedical Applications. Chemical Reviews. Roč. 116, čís. 9, s. 5464–5519. DOI 10.1021/acs.chemrev.5b00620. 
  24. ↑ KAPLAN, I. G. Intermolecular interactions: physical picture, computational methods, model potentials. Hoboken, NJ: Wiley ISBN 9780470863329. 
  25. ↑ SCHEINER, Steve. Noncovalent forces. Cham Heidelberg: Springer ISBN 3319141627. 
  26. ↑ RILEY, Kevin E.; HOBZA, Pavel. On the Importance and Origin of Aromatic Interactions in Chemistry and Biodisciplines. Accounts of Chemical Research. Roč. 46, čís. 4, s. 927–936. DOI 10.1021/ar300083h. 
  27. ↑ ZUMDAHL, Steven S.; ZUMDAHL, Susan A. Chemistry. Belmont, CA: Brooks/Cole, Cengage Learning ISBN 1133611095. 
  28. ↑ PERRIN, Charles L.; NIELSON, Jennifer B. “STRONG” HYDROGEN BONDS IN CHEMISTRY AND BIOLOGY. Annual Review of Physical Chemistry. Roč. 48, čís. 1, s. 511–544. DOI 10.1146/annurev.physchem.48.1.511. 
  29. ↑ HOBZA, Pavel; MÜLLER-DETHLEFS, Klaus. Non-covalent interactions. Cambridge: Royal Society of Chemistry ISBN 9781847558534. 
  30. ↑ MÜLLER-DETHLEFS, Klaus; HOBZA, Pavel. Noncovalent Interactions: A Challenge for Experiment and Theory. Chemical Reviews. Roč. 100, čís. 1, s. 143–168. DOI 10.1021/cr9900331. 
  31. ↑ STONE, A. J. The theory of intermolecular forces. Oxford: Clarendon ISBN 9780198558835.