찰코겐 결합

Chalcogen bond

찰코겐 결합은 수소 결합과 할로겐 결합과 함께 σ홀 상호작용 계열에서 매력적인 상호작용이다.[1][2] 이 매력적인 상호작용의[3] 제품군은 C-X 결합의 orbital* 궤도(X= 수소, 할로겐, 찰코겐, pnictogen 등)와 상호작용하는 전자 기증자로 모델링되었다. 전자 밀도 매핑은 흔히 수용기에 있는 기증자와 전기영역 영역의 전자 밀도를 시각화하기 위해 호출되며, 이를 σ-구멍이라고 한다. 수소 결합과 할로겐 결합과 마찬가지로 찰코겐 결합은 단백질 접힘, 결정 공학, 자가 조립, 촉매, 운송, 감지, 템플레이션, 약물 설계와 같은 다양한 비-공생 상호작용에서 작동되었다.[4]

본딩

기원

찰코겐 본딩은 다른 형태의 σ홀 상호작용과 비교해도 손색이 없다. 그러나 이러한 상호작용에 대한 구체적인 기여는 여전히 논쟁의 대상이다. 기여하는 힘은 분산/반 데르 발 상호 작용, 정전기 상호작용 및 궤도 혼합 상호작용으로 나눌 수 있다.[5] 이러한 기여하는 매력적인 힘은 서로 다른 기증자-수용자 쌍과 관련된 접합 강도 차이를 설명하기 위해 발동된다. 어떤 사람들은 정전기적 상호작용은 수용체로서 더 단단한 찰코겐 원자의 경우에만 지배한다고 주장한다. 특히 O와 S.[6][7] 더 무거운 그룹 16 착향료의 찰코겐 결합은 분산력에 더 기인한다고 생각된다. 별도의 캠프에서 이러한 기여는 공여자 n 궤도와 수용자 orbital* 궤도 사이의 궤도 혼합/초점화에 비해 경미한 것으로 간주된다.[5]

σ-구멍 상호작용의 공여자와 수용자 분자 역할을 할 수 있는 찰코균의 이중 능력을 감안할 때, 서로 다른 본딩 특성을 구별할 수 있는 기하학적 개략도가 생성되었다. 궤도 orbital*는 찰코겐 결합과 σ 결합의 정반대편에 있다. 이 지역은 외로운 쌍이 공여 지역에서 국부적으로 사는 holes홀 사이의 지역이다. 이러한 영역은 전자가 고갈된 σ홀 영역과 전자가 농축된 기증 영역인 전기영역 게이트로 언급되어 왔다.[8]

다양한 σ-구멍 상호작용에서 볼 수 있는 n → σ* 상호작용에 대한 궤도 혼합 그림.
S(CN)에 있는 핵성 및 전기성 관문의 시각화.2

평가하기

AIM

어떤 전자 기증자도 할로겐 음이온, 아민, π 전자(벤젠 등)를 포함하여 결합한 찰코겐의 σ홀에 전자를 기증할 수 있다. 할로겐 본딩과 마찬가지로 찰코겐 본딩은 두 찰코균 사이에 발생할 수 있어 찰코겐-찰코겐 본딩이 발생할 수 있다. 비균등 상호작용은 결합을 두 핵 사이에 존재하는 결합 임계점(BCP)으로 정의하는 분자(AIM) 모델에서 바더의 원자에 의해 잘 특징지어진다.[1] 이것은 단순히 분자의 전자 밀도 지도의 안장점으로 이해할 수 있다. 수소 결합과 할로겐 결합은 둘 다 이 방법에 의해 잘 특징지어진다. 찰코겐 결합에 대해서도 아래와 같이 동일한 분석이 수행되었다. 이러한 분자에서 S와 Cl− 사이의 BCP는 비균등 상호작용에 대한 증거로서, 이 경우 찰코겐-할로겐 결합이다.[9]

시스템을 포함하는 다양한 찰코겐-할로겐 결합에 대한 분자 내 원자(AIM) 분석. 결합 임계점(BCP)은 S와 Cl− 사이의 찰코겐 결합을 증명한다.

NBO

찰코겐 본딩과 광범위한 본딩을 구체적으로 평가하기 위해 사용되는 또 다른 방법은 일반적으로 자연 본딩 궤도(NBO) 분석이다.[1] NBO 분석은 공밸런트, Lewis형 본딩 상호작용과 비공밸런스 본딩 상호작용을 구별한다. 찰코겐 결합은 n → σ* 궤도상의 자연 모집단을 기준으로 평가된다. 그런 다음 이 궤도상의 더 높은 모집단도 기하학적 변화에 반영되어야 한다.

기하학

찰코겐 본딩을 위한 정전기 매핑과 분자 궤도 설명 둘 다 본딩 상호작용에 대한 예측 방향성을 산출한다. 수소 또는 할로겐 결합에서 전기영역/전기영역* 궤도(arbit)는 σ 결합의 반대편에 위치하여 단일 σ-구멍을 형성한다. 따라서 최적의 수소 또는 할로겐 결합은 기하학에서 선형이다. 찰코겐 결합은 같은 상호작용의 결과물이다. 그러나 찰코균이 여러 시그마 결합을 형성하고 따라서 여러 개의 σ구멍이 그러한 결합 상호작용을 형성하는 것은 가능하다. 진동 분광법에 기초한 X선 결정 구조 또는 구조 결정의 평가는 원자의 근접성과 방향에 기초한 찰코겐 결합에 대한 증거를 제공할 수 있다. 케임브리지 구조 데이터베이스에 대한 조사에 따르면 단백질 구조와 분자의 고체 상태 결정에서 찰코겐 결합 상호작용의 빈도가 높은 것으로 나타났다.[10][11]

H-본딩 vs 찰코겐 본딩

찰코겐의 전자 기증자 기능 능력 때문에, 많은 시스템이 기증자로서 찰코겐과 수소 결합 또는 찰코겐 결합 사이에서 균형을 맞출 것이다.[6][12] 이러한 균형은 대체된 다양한 찰코균들 사이의 일련의 자가 결합 분자간 상호작용에서 관찰될 수 있다. 경질 찰코겐 원자를 수용체로 하는 경우, 그 균형이 찰코겐과 메틸 H 사이의 H 결합을 선호한다. 그러나 수용자 원자가 집단을 따라 이동함에 따라 찰코겐-찰코겐 결합이 선호될 것이다. 정전기력은 가벼운 착향료와의 찰코겐-찰코겐 결합에서만 지배해야 하며, 그 대신 더 무거운 착향료의 경우 분산력이 지배해야 한다는 가설이 있다.

찰코겐-찰코겐 접합력을 H-본딩과 비교하는 수단은 찰코겐-찰코겐 결합에 대한 다양한 용제 환경의 영향을 비교하는 것이다. 이것은 찰코겐-찰코겐 분자 내 결합을 하나의 순응(폐쇄)으로 특징짓는 일련의 분자에 대해 수행되었고, 다른 (개방)에서 용매 상호작용에 노출되었다. 그러한 연구 중 하나는 폐쇄형 순응에 대한 선호도가 용제 환경에 거의 의존하지 않는 것으로 나타났다.[5] 이는 용매 쌍극자 모멘트, 편광성 또는 H-본딩 문자의 변화가 찰코겐-찰코겐 결합과 용매 상호작용 사이의 균형에 영향을 미치지 않는다는 것을 의미하기 위해 취해졌다. 그러한 결론은 찰코겐-찰코겐 결합에 관여하는 분산력과 정전기력은 상호작용에 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 의미한다. 대신에, 이것은 궤도 상호작용은 결합 상호작용을 지배한다는 것을 의미할 것이다.

적용들

약한 상호작용이 중요한 시스템에 찰코겐 결합을 설계하기 위해 광범위한 응용 프로그램이 제안되었다. 여기에는 약물 설계, 감지 및 고선택적 촉매변환에서 볼 수 있는 특정 인식 또는 분자, 잠금장치 및 핵심 모델의 종류에 의존하는 영역이 포함될 수 있다. 추가적인 적용은 분자의 특정 패킹이 대량 특성에 극적으로 영향을 줄 수 있는 고체 상태 및 재료 과학에 있다.

마약 설계

약물 설계는 생물학적으로 관련된 특성을 변화시키기 위한 분자 설계를 포함하는 넓은 우산이다. 약한 상호작용과 관련하여, 이 설계는 생물학적으로 관련된 분자나 단백질과 다양한 결합 모드에서 발생하는 관련 생물학적 효과에 대한 리간드 도킹/바인딩을 조정하기 위한 것이다. 특정 결합을 지시하는 약한 상호작용은 표적과 약물의 상호작용이 될 수도 있고, 약물의 분자 내일 수도 있으며, 일반적으로 순응적 선호에 영향을 미친다. 어떤 약물과 그것의 목표물 사이에 분자간 찰코겐 결합에 대해 알려진 예는 거의 없다. 단, 찰코겐 본딩 상호작용의 안정화에 기인하는 약물 분자에서 명확한 일치 선호도가 나타났다. 이것들은 찰코겐 결합 수용자로서 찰코겐 이질체를 가장 전형적으로 포함한다.[13]

순응적 선호도는 1,4, 1,5 및 1,6 O••••S 상호작용, 1,4 및 1,5 N•••S 상호작용, S•••••••자율적 상호작용을 비롯한 다양한 종류의 분자 내 찰코겐 결합에서 도출할 수 있다. 이러한 상호작용의 각 등급은 chalcogen 본딩이 일부 화합물의 효력 차이를 최대 1500배까지 초래한 큰 등급의 약물로 구성된다.[14] 분자 유황이 할로겐 본딩에서 볼 수 있는 바로 바깥쪽이 아니라 분자 옆 각도에서 σ* 궤도를 향하기 때문에 분자 내 찰코겐 본딩은 분자간 상호작용을 경쟁한다는 가설이 있다.[13]

카탈루션

카탈루션에서의 찰코겐 본딩은 기질을 미리 방향화하는 데 사용되어 기질의 선호 순응에 비대칭/강철성 카탈루션을 허용했다. 예를 들어, 키랄 이소티우레아에 의해 촉매된 항항생성 혼합물의 비대칭 아킬 전이가 포함된다. 아킬 그룹은 먼저 키랄 촉매로 전달되며, 치랄 촉매에는 기질에 전달되기 전에 아킬 그룹의 방향을 바꾸는 1.5 샬코겐 본딩 상호작용이 포함된 전환 상태를 거치는 것으로 알려져 있다. 그 결과 아틸화 기질 중 하나의 에반토머와 나머지 에반토머가 다른 에반토머에서 농축되었다.[15] 유사한 상호작용이 입체적 Michael 추가와 β-락토네이션에서 호출되었다.[16]

이소티우레아 촉매를 통한 입체적 아틸 전달

    참조

    1. ^ a b c Kolář, Michal H.; Hobza, Pavel (2016-05-11). "Computer Modeling of Halogen Bonds and Other σ-Hole Interactions". Chemical Reviews. 116 (9): 5155–5187. arXiv:1708.09244. doi:10.1021/acs.chemrev.5b00560. ISSN 0009-2665. PMID 26840433. S2CID 12524121.
    2. ^ Scilabra, Patrick; Terraneo, Giancarlo; Resnati, Giuseppe (2019-05-13). "The Chalcogen Bond in Crystalline Solids: A World Parallel to Halogen Bond". Accounts of Chemical Research. 52 (5): 1313–1324. doi:10.1021/acs.accounts.9b00037. PMID 31082186.
    3. ^ Cavallo, Gabriella; Metrangolo, Pierangelo; Pilati, Tullio; Resnati, Giuseppe; Terraneo, Giancarlo (2016-04-15). "Naming Interactions from the Electrophilic Site". Crystal Growth & Design. 14 (6): 2697–2702. doi:10.1021/cg5001717. ISSN 1528-7483.
    4. ^ Zhao, Yingjie; Cotelle, Yoann; Sakai, Naomi; Matile, Stefan (2016-04-06). "Unorthodox Interactions at Work". Journal of the American Chemical Society. 138 (13): 4270–4277. doi:10.1021/jacs.5b13006. ISSN 0002-7863. PMID 26975805.
    5. ^ a b c Pascoe, Dominic J.; Ling, Kenneth B.; Cockroft, Scott L. (2017-10-25). "The Origin of Chalcogen-Bonding Interactions" (PDF). Journal of the American Chemical Society. 139 (42): 15160–15167. doi:10.1021/jacs.7b08511. ISSN 0002-7863. PMID 28985065.
    6. ^ a b Bleiholder, Christian; Gleiter, Rolf; Werz, Daniel B.; Köppel, Horst (2007-03-01). "Theoretical Investigations on Heteronuclear Chalcogen−Chalcogen Interactions: On the Nature of Weak Bonds between Chalcogen Centers". Inorganic Chemistry. 46 (6): 2249–2260. doi:10.1021/ic062110y. ISSN 0020-1669. PMID 17311376.
    7. ^ Bleiholder, Christian; Werz, Daniel B.; Köppel, Horst; Gleiter, Rolf (2006-03-01). "Theoretical Investigations on Chalcogen−Chalcogen Interactions: What Makes These Nonbonded Interactions Bonding?". Journal of the American Chemical Society. 128 (8): 2666–2674. doi:10.1021/ja056827g. ISSN 0002-7863. PMID 16492053.
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    12. ^ Sanz, Pablo; Yáñez, Manuel; Mó, Otilia (2002-05-01). "Competition between X···H···Y Intramolecular Hydrogen Bonds and X····Y (X = O, S, and Y = Se, Te) Chalcogen−Chalcogen Interactions". The Journal of Physical Chemistry A. 106 (18): 4661–4668. Bibcode:2002JPCA..106.4661S. doi:10.1021/jp0143645. ISSN 1089-5639.
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    14. ^ Zhao, Lianyun; Zhang, Yingxin; Dai, Chaoyang; Guzi, Timothy; Wiswell, Derek; Seghezzi, Wolfgang; Parry, David; Fischmann, Thierry; Siddiqui, M. Arshad (2010). "Design, synthesis and SAR of thienopyridines as potent CHK1 inhibitors". Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 20 (24): 7216–7221. doi:10.1016/j.bmcl.2010.10.105. PMID 21074424.
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    16. ^ Leverett, Carolyn A.; Purohit, Vikram C.; Romo, Daniel (2010-12-03). "Enantioselective, Organocatalyzed, Intramolecular Aldol Lactonizations with Keto Acids Leading to Bi- and Tricyclic β-Lactones and Topology-Morphing Transformations". Angewandte Chemie International Edition. 49 (49): 9479–9483. doi:10.1002/anie.201004671. ISSN 1521-3773. PMID 21053228.