1.1. ÚVOD - OSOBNÍ POHLED NA VZNIK SUPRAMOLEKULÁRNÍ CHEMIE

1. ZÁKLADNÍ PJMY Ivan Stibor Ústav organické chemie, VŠCT, Praha, e-mail: stibori@vscht.cz bsah 1.1. Úvod osobní pohled na vznik supramolekulární chemie 1.2. istorie doložitelná 1.3. Základní principy 1.4. Mezimolekulární interakce 1.5. R.MacKinnon a P.Agre: Iontové a vodní kanály Nobelova cena za chemii 2003 1.6. Závěr 1.7. Literatura 1.1. ÚVD - SBNÍ PLED NA VZNIK SUPRAMLEKULÁRNÍ CEMIE Interpretací vzniku i existence supramolekulární chemie je mnoho a jsou, mírně řečeno, velmi různorodé. Nelze začít jinak než logicky bezchybnými definicemi obou Nobelistů (D. J. Cram a J.-M.Lehn), první vytváří a důsledně dodržuje koncept host-guest chemistry druhý stejně důsledně koncept supramolecular chemistry. K těmto dvěma výrazným osobnostem budiž po pravdě řečeno, že se s malou nadsázkou osobně setkali pouze na ceremonii udělování Nobelovy ceny. Jinak se oba velmi důsledně vyhýbali jakémukoliv přímému kontaktu včetně odborných setkaní všeho druhu. Jejich organizátoři dobře věděli, že buď můžete mít Lehna, nebo Crama, toho prvního snadněji, neboť mu cestování méně vadí. Jiného Nobelistu, Vlado Preloga - našeho (VŠCT) slavného alumni uctím vzpomínkou na jeho mimochodem pronesenou větu: a Cram mi řekl, že na to nasadil 20 PhD studentů a postdoků, abych toho raději nechal, která charakterizuje mnohdy velmi komplikované mezilidské vztahy těchto vědeckých velikánů. V.Prelog přesto zanechal nesmazatelnou stopu v oboru, byť pouze s jedním spolupracovníkem. Za všechny kritiky pojmu supramolekulární chemie jmenuji dva. Nejprve vždy noblesního Rudolfa Zahradníka, který mi v diskusi na zcela jiné téma přátelsky řekl: jen ten váš nešťastný termín supramolekulární chemie. Razantní kritiky nechť reprezentuje Carlo Floriani, pověstný tím, že na začátku své vždy vynikající přednášky těžce urazil pokud možno všechny své hostitele. Ten supramolekulární chemiky nazval přiléhavým cartoon-makers a při žádné příležitosti si neodpustil zdůraznit, že N je jiný, protože N nedělá sloučeniny pro krásu jejich obrázku. N si staví vysoké cíle, JE preparace se dělají s desítkami gramů bez chromatografie a výtěžky v JE publikacích jsou preparativní, JE komplexy mají vždy doloženou strukturu (minimálně krystalografie) i funkci... a měl pravdu. Má osobní náklonnost pro supramolekulární chemii prudce vzrostla v okamžiku, kdy naproti sedící J.-M.Lehn (JML), zde ve staré budově ÚCB potvrdil Jiřímu Závadovi, že by o jednoho přestárlého postdoka z Prahy měl zájem a že je ochoten i počkat až ho prokádrují. Slovo dělá muže, přestože to čekání se protáhlo na 2,5 roku. Jednoho dne jsem ale po úspěšném absolvování celodenního testování, zda má psyché vydrží roční nápor kapitalismu (a razantním zákroku ředitele ÚCB Martínka) mohl zavolat do Štrasburku a vykoktat, že mohu přijet zítra. Přijeď, zaznělo z telefonu, a tak se stalo, že jsem se v srpnu 1987 ocitl v laboratořích JML, kde v tu dobu na celé Univerzitě L.Pasteura byli přítomni pouze dva JML (do práce nechodí pouze 25.12. dopoledne) a já. Důvod byl prostý: ve Francii jsou v srpnu vacance, což ví každý. Nicméně načasování bylo přesto bezchybné, neboť za šest neděl přišla zpráva ze Stockholmu, že JML má Nobelovu cenu. Následující měsíc prošla jeho 1

laboratořemi celá plejáda supramolekulárních celebrit (vedle novinářů, televizních reportérů a mnoha chemických hochštaplerů ) a ukázalo se, že se sklenkou Vin d Alsace v ruce lze navázat cenné známosti. Vzhledem k této celkem slušné znalosti osob, které udávaly tón při vzniku supramolekulární chemie, dovolím si nabídnout vlastní interpretaci vzniku tohoto oboru. Supramolekulární chemie vznikla, protože pro její vznik nastaly vhodné podmínky. Strukturní analýza (a zvláště NMR techniky) dovolila nahlédnout do struktury řady zajímavých funkčních sloučenin například ionoforů. V téže době Charles Pedersen, typický syntetik-šťoura (kterého málo zajímá produkt vzniklý ve výtěžku přes 90 %, ale celou svoji erudici napře na oněch 0,4 % krystalů, které vznikly také), nabídl po téměř pětiletém firemním výzkumu (když u firmy DuPont patrně již zjistili, že tento objev lidstvo nespasí) krystalicky průhlednou strukturu crownetherů i jejich komplexů. Koncepci, že do malé díry se vejde malý kulatý ion a do velké zase velký, pochopí každé malé dítě, bez ohledu na to, že to v naprosté většině případů tak není. TP + Cl Cl 1. Na, nbu 2. +, 2 TP TP 0,4 % krystaly Na + Schéma 1.1. Pedersenova nechtěná syntéza prvního crownetheru Cramovy i Lehnovy ligandy, komplexující kationty z výsledků Pedersena nepochybně vycházejí. Dnes po létech lze říci, že se původní naděje vkládané do této nové skupiny látek naprosto nesplnily. Neexistuje žádná velká aplikace crownetherů (včetně těch chirálních), kryptandů, sferandů a karcerandů. Tyto a jiné sloučeniny, které představovaly hlavní předmět studia supramolekulárních chemiků, však přinesly to nejpodstatnější definici a popis obecných principů, které řídí vznik a vlastnosti supermolekul molekulárních komplexů všech typů. Jednoduchost studovaných sloučenin umožnila tyto zákonitosti nejen definovat, ale i experimentem potvrdit či vyvrátit. To je hlavní zásluha supramolekulární chemie. Nevadí, že naše představy jsou mnohdy naivní a nesprávné, nevadí, že stále žasneme nad dokonalostí přírodou užívaného molekulárního designu. Za to, co bylo již uděláno, si supramolekulární chemie zaslouží svoji existenci, přestože je její definice čím dál tím obtížnější. Všichni se ale shodují, že jde o disciplinu mezioborovou. Proto, o co je obtížnější definice supramolekulární chemie, o to jednodušší je definovat nároky na supramolekulárního chemika. Nezbytně by měl být zběhlý v chemii anorganické, organické i fyzikální, nejméně na úrovni renomovaných Advanced učebnic. Měl by mít praktické zkušenosti se syntetickou chemií a schopnost vynalézavě využívat všechny metodiky instrumentální analytické chemie. Upřímně, není mnoho lidí v tomto oboru (včetně autora této kapitoly), kteří by uvedené nároky splňovali ale existují. 2

1.2. ISTRIE DLŽITELNÁ V tomto okamžiku považuji za vhodné probrat a komentovat jednotlivé historicky doložitelné body, které formovaly vznik a vývoj supramolekulární chemie. 1810 Sir umphrey Davy objev hydrátu chloru 1823 Michael Faraday vzorec hydrátu chloru 1841 C. Schafhäutl interkaláty grafitu 1891 Villiers a ebd cyklodextrin a jeho inkluzní sloučeniny Všechny shora uvedené příklady spadají typicky mezi molekulární komplexy. Tato pozorování však předběhla dobu nebyly k disposici prostředky, které by dovolovaly strukturně i funkčně popsat tyto zajímavé sloučeniny. 1893 Alfred Werner koordinační chemie Nepochybně zcela ojedinělý intelektuální výkon, který zobecnil zákonitosti vzniku koordinačních sloučenin včetně jejich optické aktivity. Dodnes nese koordinační chemie odkaz svého objevitele soustřeďuje se především na centrální ion(ty) kovu a málo se zabývá povahou a strukturou obvykle organických ligandů okolo. 1894 Emil Fischer koncepce zámku a klíče (lock and key) 1906 Paul Ehrlich zavádí pojem receptor Dva pohledy z jiné strany zavádí se pojem receptor jako výsledek poznání, že bez vazby není účinek, dále se zavádí princip geometrické (velikost a tvar) komplementarity. Tím byl položen základ molekulárního rozpoznání. 1937 K.L.Wolf termín Űbermolekűle (např. dimer kyseliny octové) 1948.M.Powell zavádí termín klathrát jako sloučeninu, kde jedna komponenta je obsažena ve struktuře druhé komponenty. 1953 Watson a Crick struktura DNA Poznání struktury DNA má dodnes zásadní vliv jde o vysoce organizovanou a funkční supramolekulární strukturu, navíc polymerní, složenou z velmi omezeného množství stavebních jednotek. Není lepší příklad na funkci a význam vodíkových vazeb. 1956 D.Crowfoot odgkin krystalová struktura vitaminu B 12 Vedle nepochybného významu poznání struktury fyziologicky významného komplexu se ukázalo, že krystalovou strukturu lze vyřešit i u velmi komplikované sloučeniny. Krystalografické metody se tak stanou významnou a mnohdy nenahraditelnou metodikou při poznávání struktury a funkce složitých supramolekulárních biomolekul. 1961 N.F.Curtis první makrocyklická Schiffova báze 1967 C. Pedersen crownethery 1968 Park a Simmonds katapinandy, ligandy pro anionty 1969 J.-M.Lehn syntéza prvního kryptandu 1969 J.L.Atwood kapalné klathráty alkylaluminiových solí 1973 D.J.Cram ost-guest Chemistry, sferandy testující koncept předorganizace 1978 J.-M.Lehn zavádí termín supramolekulární chemie jako chemie nadmolekulárních struktur a mezimolekulárních vazeb 1979 Gokel a kahara zavádí lariat ethery, jako podskupinu crownetherů 1981 Vögtle a Weber - podandy a jejich nomenklatura 1987 Cram, Lehn, Pedersen Nobelova cena 1996 Atwood, Davies, MacNicol, Vögtle Comprehensive Supramolecular Chemistry representativní dílo, charakterizující stav oboru. Druhé vydání se připravuje. 2003 P.Agre a R.MacKinnon Nobelova cena struktura a funkce vodních i iontových buněčných kanálů 3

1.3. ZÁKLADNÍ PRINCIPY Ze základních principů supramolekulární chemie se zmíním pouze o těch nejdůležitějších. Dříve, než tak učiním, je třeba po pravdě přiznat, že zvláště první princip chelátový efekt pochází z hlubokého chemického dávnověku. Je spojen s koordinační chemií, která má velmi dlouhou historii a tradičně patří do anorganické chemie. Považuji za nezbytné o této vědní disciplině něco říci a využívám k tomu text z pera člověka nejpovolanějšího (F. Jursík: Anorganická chemie kovů, skripta VŠCT, 2002, kapitola 3). 1.3.1. koordinační chemii a jejím vztahu k chemii supramolekulární. Interakce Lewisových kyselin a bází je obecným principem vysvětlujícím donor-akceptorové vazby v chemii nekovů i kovů. V té druhé oblasti, a zvláště u přechodných kovů, je tak typická, že sklon atomů těchto prvků k přijetí elektronové dvojice jde tak daleko, že kationty přechodných kovů jsou ve vodném roztoku i pevné fázi obsaženy v podobě koordinačních sloučenin aquakomplexů. Tak například v hydratovaném síranu železnatém FeS 4..6 2 je přítomen kation železa ve formě hexaaquaželeznatého kationtu s koordinovanými molekulami vody. 2 2 Fe 2 6 2 2 2 Fe 2 2 2 Schéma 1.2. Snadná tvorba koordinačních sloučenin kationtů přechodných kovů Koordinačních sloučenin je známo právě díky shora uvedené vlastnosti velmi mnoho a mají často výrazné zabarvení, které závisí na centrálním atomu (Lewisově kyselině) i ligandech, (Lewisových bázích) které ho obklopují. Termín ligand tak má v tomto oboru tradiční a velmi dobře zabydlené místo, z čehož vzniká řada nedorozumění při používání tohoto termínu v jiných oborech (supramolekulární chemie, biochemie, bioorganická chemie). Vznik velkého množství často výrazně barevných a stálých sloučenin vyvolal snahu o nalezení teorie, která by tato experimentální pozorování vysvětlovala. Nejprve vznikla tak zvaná katenační teorie, inspirovaná katenačními schopnostmi atomu uhlíku. Ta nebyla schopna podat uspokojivý výklad o prostorové stavbě koordinačních sloučenin a zcela selhala při posuzování povahy isomerie. Zásadní obrat přinesl až Alfred Werner, který ve svých 27 letech vypracoval dodnes platnou koordinační teorii psal se rok 1893. Tato teorie je výjimečná i svým vznikem, který její autor popisuje takto: ve dvě hodiny ráno přišla inspirace jako blesk, vstal a začal jsem a v pět hodin odpoledne téhož dne byla jeho teorie v hlavních rysech hotova. Werner pochopil, že konečný důkaz o správnosti své teorie nalezne ve studiu stereochemie koordinačních sloučenin. Byl také první, kdo vytušil, že isomerie není vázána pouze na uhlíkový atom. Uvědomme si, že to bylo pouze 19 let od první zprávy o tetraedrickém uspořádání vazeb okolo atomu uhlíku (J..van t off 22 let). Principy Wernerovy teorie koordinačních sloučenin lze shrnout do tří bodů: 1. Většina prvků vytváří dva typy vazeb: hlavní (jejich počet odpovídá oxidačnímu číslu) a vedlejší (jejich počet odpovídá koordinačnímu číslu). 2. Každý prvek se snaží nasytit oba typy vazeb. 3. Vedlejší vazby jsou určitým způsobem orientovány v prostoru. 4

Dnešní koordinační chemie je velmi dobře propracovaná a zabývá se jak centrálními atomy, tak ligandy i jejich vzájemnou interakcí. Cílem je samozřejmě porozumět a předpovědět strukturu a funkci koordinačních sloučenin. Pokud jde o ligandy koordinační chemie akceptovala pojem chelát pro sloučeniny s vícevaznými ligandy, velmi často jsou studovány i mimořádně důležité můstkové ligandy které jsou v oboru supramolekulární chemie stále spíše výjimkou. Jednou z charakteristických vlastností koordinačních sloučenin, která nemá co do rozsahu v chemii obdoby, je isomerie mnoha typů, které se mohou v komplexech uplatňovat jednotlivě, případně i v kombinacích. Tuto skutečnost by každý supramolekulární chemik měl mít neustále na paměti, protože není jediného důvodu, proč by v supramolekulárních komplexech neměly existovat stejné typy isomerie jako v komplexech koordinačních. U koordinačních sloučenin lze doložit tyto typy isomerie: geometrická, optická, ionizační, hydrátová, koordinační a vazebná. Budeme je dále ilustrovat na příkladech konkrétních sloučenin. - geometrická Cl Pd Br N Cl Pd Br N N 2 Rh N 2 N 2 Rh N 2 N 2 cis trans mer N 2 fac br. 1.1. Geometrická isomerie koordinačních sloučenin - optická N 2 Pt Cl Cl Cl Cl Pt N 2 N 2 N 2 br. 1.2. ptická isomerie koordinačních sloučenin - ionizační (její vysvětlení následujícími vzorci nevyžaduje komentář) [Co( ) 5 Br] S 4 [Co( ) 5 S 4 ]Br - hydrátová (jde o zvláštní případ shora uvedené) Cr 3 Cl. 6 2 = [Cr( 2 ) 4 Cl 2 ]Cl.2 2 ve vodném roztoku [Cr( 2 ) 5 Cl]Cl 2. 2 - koordinační Její podstata vychází z možnosti měnit rozdělení ligandů mezi dva centrální atomy týká se sloučenin s komplexním kationtem i aniontem a také vícejaderných komplexů, například: [Co( ) 6 ] [Cr(CN) 6 ] a [Cr( ) 6 ] [Co(CN) 6 ] nebo (v tomto případě často nazývaná polohová ) 5

Cl Co Co Cl Cl Co Co Cl polohové br. 1.3. Koordinační isomerie koordinačních sloučenin - vazebná - (její vysvětlení následujícími vzorci nevyžaduje komentář) 2 2 ( ) 5 Co N ( ) 5 Co N br. 1.4. Vazebná isomerie koordinačních sloučenin becně lze jistě říci, že čím složitější strukturu mají ligandy a centrální atom (zde myslíme na vícejaderné komplexy), tím větší spektrum isomerie musíme pro každý komplex uvažovat. Nástin vazeb v koordinačních sloučeninách Již od okamžiku, kdy bylo zřejmé, že jednoduché sloučeniny přechodných kovů mají dostatek kapacity pro přijetí elektronových párů od donorových atomů a tím k tvorbě koordinačních sloučenin, bylo vynakládáno mimořádné úsilí směřující k vysvětlení samé podstaty vazby kov ligand. Pokrok přinesla až Lewisova teorie kyselin a bází a zejména poznatky kvantové chemie. Na jejich podkladě bylo vypracováno několik modelů vazby kov ligand, které se svou podstatou neliší (a také nemohou lišit) od těch, které byly vypracovány pro tak zvané kovalentní sloučeniny. Důvod je prostý. Vazby kov ligand, i když jsou donor-akceptorového původu, mají až na výjimky také kovalentní povahu. Podstata je tedy shodná, poměry doprovázející donor-akceptorovou interakci jsou ale složitější. Zásluhu na tom má elektronová struktura přechodných kovů s částečně zaplněnými orbitaly d a f. A tak vazbu kovligand popisují tři teorie (teorie valenčních vazeb, krystalového pole a molekulových orbitalů). Jejich výklad lze nalézt v citovaném skriptu i v kterékoliv učebnici anorganické chemie. Můžeme doufat, že s rozvojem výpočetních metod (hardware i software) se dočkáme situace, kdy vazby všech typů v konkrétních sloučeninách budou pojednatelné těmito metodami, což postaví všechny typy chemie (zde jmenuji zvláště anorganickou, koordinační, organickou, organokovou, supramolekulární) na společný základ. To je ale hudba budoucnosti a my se nyní vrátíme zpět k principům supramolekulární chemie. 1.3.2. Chelátový a makrocyklický efekt Chelátový a makrocyklický efekt nejlépe charakterizuje následující obrázek 1.5. 6

N 2 3 N Ni 3 N + 3 2 N N 2 log K = 8,76 2 N N 2 Ni 2 N N 2 + 6 N 2 [Ni( ) 6 ] 2+ [Ni(N 2 C 2 C 2 N 2 ) 3 ] 2+ br. 1.5. Pojem chelátový efekt Výměna amoniaku za ethylendiamin probíhá okolo centrálního atomu niklu spontánně a vznikající komplex má o více než osm řádů vyšší stabilitu. Tento jev má jen málo výjimek pro komplexy v roztoku a nazýváme ho chelátový efekt. Jeho existence a vysvětlení však zdaleka není bez problémů. Mimo vší pochybnost jde o vliv struktury ligandu (zde ethylendiamin). Jeho vhodná struktura maximalizuje konformační i elektrostatický příspěvek ke stabilitě komplexu. Definuje se tak zvaný úhel skousnutí (bite angle), jehož velikost závisí pochopitelně na centrálním atomu kovu. Vzniklý pětičlenný cyklus bývá nejvýhodnější. Šestičlenný kruh, který by vytvořil například 1,3-diaminopropan, je podstatně méně entropicky výhodný, neboť je konformačně volnější. Námitky k definici chelátového efektu jsou v podstatě dvojího druhu. První se týká definice stability komplexu s monodentátním (amoniak) a bidentátním (ethylendiamin) ligandem. Tyto konstanty nelze porovnávat (viz dále), neboť nemají ani stejný fyzikální rozměr. Chelátový efekt obvykle mizí, uvažujeme-li shora uvedenou reakci v plynném stavu. Je tedy většinou velmi úzce spjat s rolí rozpouštědla. A právě efekt rozpouštědla se velmi špatně kvantitativně popisuje, neboť nejde o (velmi) zředěné, ale reálné roztoky elektrolytů. Makrocyklický efekt má podobnou povahu, jen je spojen s existencí makrocyklu. I zde nám velmi pomůže obrázek. Dá se říci, že oba komplexy na br. 1.6. mají velmi podobné ligandy, charakterizované čtyřmi N-donory oddělenými stejným počtem methylenových skupin. Přesto makrocyklický komplex, který dává donorovým centrům daleko menší konformační volnost, má o čtyři řády vyšší stabilitu toto zvýšení stability komplexu, spojené se vznikem makrocyklu, nazýváme makrocyklický efekt. V tomto případě mají obě konstanty stability stejný rozměr a lze je tedy přímo srovnávat. V literatuře lze nalézt podobný pojem makrobicyklický efekt, jehož význam je analogický. 2 + 2 + N N N N M M N N N 2 N 2 br. 1.6. Pojem makrocyklický efekt M = Zn, Cu 7

1.3.3. Předorganizace a komplementarita Aby vůbec k vazbě hostitel host došlo, musí mít oba alespoň jedno vazebné místo, častěji více vazebných míst. Tyto dvojice vazebných míst často nazývané párové nebo elementární interakce - musí mít navíc odpovídající elektronický charakter (např. polarita, donor-akceptor vodíkové vazby, tvrdost-měkkost), aby se vzájemně doplňovaly. Donor vodíkové vazby musí interagovat s jejím akceptorem, Lewisova kyselina musí nalézt Lewisovu bázi a vše se musí dít v trojrozměrném prostoru tak, aby vazebná místa hostitele nalezla vazebná místa hosta ve správné a výhodné konformaci pro vytvoření interakce. Když hostitel vyhoví všem těmto kriteriím, říkáme, že je komplementární s hostem. Jestliže navíc hostitel při tvorbě komplexu nemění svoji konformaci v daném prostředí host k němu elektronicky i tvarově přesně padne hovoříme o předorganizaci hostitele. ba tyto pojmy byly odvozeny pro případy, kdy hostitel je složitá organická molekula a host je jednoduchý geometrický útvar (například sférický ion), jehož předorganizace je nemožná. Nahlížíme-li na věc obecně, pak libovolná interakce dvou a více částic musí vyhovovat stejným principům. Často těžko rozhodneme, kdo je hostitel a kdo host. V takovém případě platí pojem komplementarita a předorganizace stejně pro obě interagující částice. Předpokládáme-li pro jednoduchost, že celý děj vzniku komplexu se odbývá v nekonečném zředění v plynném stavu (zanedbáváme interakce částic navzájem i interakce s rozpouštědlem), můžeme celý děj rozdělit zhruba na dva, často souběžně probíhající děje. Nejprve dojde ke změně konformace, kdy se intermolekulární interakce musí změnit natolik, aby vazebná místa byla ve správných posicích a orientacích pro vytvoření párových interakcí s druhou částicí. Toto je energeticky nevýhodný proces a předpokládáme-li pevný, stálý komplex, dodanou energii nikdy nezískáme zpět. Druhou částí je vytvoření komplexu pomocí řady vzniklých párových interakcí. Tato část je energeticky výhodná, protože dochází k enthalpické stabilizaci komplementárních vazebných míst. Celková energie vzniku komplexu je pak sumou energeticky nevýhodné a výhodné části. Částice dobře předorganizované mají první, nevýhodnou část minimální. Předorganizace má významný vliv na kinetiku tvorby komplexu. Silně předorganizované struktury bývají obvykle velmi rigidní. Jako takové mají obvykle potíže při vlastním procesu komplexace, který je charakterizován aktivační energií, jako jakýkoliv jiný proces. Ta v tomto případě bývá vysoká a v důsledku toho je tvorba komplexu pomalá. To platí stejně o rozpadu komplexu. Konformačně flexibilní částice zaujmou postavení tranzitního stavu komplexace snadno, aktivační energie tohoto procesu je malá a tvorba i rozpad takových komplexů je rychlé. Vliv solvatace je sice složitý, ale platí jednoduché pravidlo, že efekt předorganizace bývá v roztoku zvýrazněn, neboť solvatace volné částice bývá větší než solvatace vytvořeného komplexu, kdy jsou obě částice zabaleny do sebe. Rozpouštědlo tedy obvykle zvýší energetickou náročnost prvního nevýhodného kroku, kdy se vazebná místa reorganizují do komplementárního stavu. Předorganizovaná částice má tuto nevýhodnou část minimalizovanou a tím i její zvýšení solvatací nemá významný efekt. Následující obrázek ilustruje jev předorganizace dvěma v supramolekulární chemii klasickými příklady Pedersenův crownether a Cramův sferand. 8

sferand (Cram) [18]crown-6 (Pedersen) br. 1.7. Vliv předorganizace na selektivitu a stabilitu vzniklého komplexu bou typů sloučenin bylo připraveno velké množství. becně se crownethery řadí k makrocyklům, které jsou flexibilní a mohou zvláště ty větší zaujmout množství energeticky téměř ekvivalentních konformací. Tvoří-li se komplex s kationtem, volné elektronové páry kyslíků se musí zreorganizovat tak, aby v maximální možné míře obklopily sférický kation. To například v polárním prostředí představuje velmi energeticky náročný proces, protože v tomto prostředí je volný crownether právě v opačné konformaci, kdy elektronegativní atomy kyslíku jsou obráceny do rozpouštědla, kde jsou velmi dobře solvatovány a hydrofobní ethylenové můstky mají tendenci maximálním přiblížením minimalizovat interakci s polárním prostředím. Proto stability komplexů crownetherů s kationty jsou v polárním prostředí mnohonásobně (o mnoho řádů) menší, než v prostředí nepolárním. Tento efekt je tím větší, čím je crownether flexibilnější (větší). V případě sferandů je situace opačná. Struktura sferandu je navržena tak, že šest methoxylových skupin se do centrální kavity nevejde a vzniká tak velmi rigidní konformace volného ligandu, charakteristická střídavě vytočenými benzenovými jádry. Tak vznikne trojrozměrná kavita mezi šesti methoxylovými skupina, jejíž rozměry přesně vyhovují iontovému poloměru lithného kationtu, méně přesně sodného kationtu a vůbec nevyhovují draselnému kationtu. To způsobuje, že rozdíl v selektivitě mezi předorganizovaným sferandem a flexibilním crown-etherem může dosáhnout až 10 10. 1.3.4. Kinetická a termodynamická selektivita Cílem návrhu struktury ligandů (hostitelů) bývá často dosažení selektivity. Snažíme se často navrhnout strukturu, která by byla schopna rozlišit mezi mnoha substráty (hosty). To platí pro syntetické molekuly stejně jako pro biologicky významné receptory. Tak například ion železa v hemoglobinu je komplexován součinně koenzymem i bílkovinou tak, aby jeho afinita ke kyslíku i oxidu uhličitému ležela v takových mezích, které jsou pro biologickou funkci nezbytné. Navíc tato funkce nesmí být porušena přítomností přebytku dusíku. Jiný příklad selektivity uvidíme v druhé části této kapitoly o iontových a vodních buněčných kanálech. Takto jemně laděné selektivity nebylo ještě pro syntetické ligandy dosaženo. Přesto je vhodné dosaženou selektivitu nějakým kvantitativním způsobem charakterizovat. Afinitu hostitele k určitému hostu charakterizujeme konstantou stability vzniklého komplexu (binding constant), která reprezentuje rovnovážnou konstantu rovnice tvorby komplexu. 9

[hostitel] + [host] [hostitel. host] (1.1.) tázce stanovení stability komplexu pomocí nejrůznějších metod bude věnována samostatná přednáška v druhé části tohoto kurzu. Nicméně, tato forma selektivity termodynamická selektivita - je nejběžnější a dá se docílit často obtížným, ale obvykle úspěšným molekulárním designem struktury ligandu (hostitele) pro daného hosta. Využívá se přitom shora uvedených principů a pokud možno detailní znalosti struktury a povahy vazebných míst u hosta. Vedle toho ale existuje jiný typ selektivity. V tom případě nám nejde o to, jak stabilní komplex vznikne, ale jak rychle tento komplex vzniká. Již bylo shora uvedeno, že rychlost vzniku komplexu závisí na předorganizaci. Vedle toho závisí na mnoha dalších faktorech. V přírodě řada enzymů katalyzuje nejrůznější reakce tím, že stabilizuje jejich tranzitní stav. Enzym přitom vytvoří s výchozí látkou reakce málo stálý, ale rychle vznikající komplex, ve kterém stabilizuje takovou strukturu výchozí látky, která je blízká její struktuře v tranzitnímu stavu katalyzované reakce. Tím dojde k zásadnímu snížení aktivační energie reakce, což je projevem katalýzy. V tomto procesu naprosto nevadí, že termodynamická stabilita vznikajícího komplexu je malá důležité je, že pro danou výchozí látku vzniká tento komplex rychle a pro všechny ostatní pomalu. Tomuto jevu říkáme kinetická selektivita, která má velký význam v katalýze, konstrukci čidel a senzorů i transportních jevech obecně. Molekulární design látek ligandů, vykazujících kinetickou selektivitu, je velmi obtížný, neboť na rozdíl od termodynamické selektivity je jeho nezbytným předpokladem detailní znalost mechanismu celého děje. V naprosté většině případů se dodnes pracuje metodou analogie se známými případy, nebo metodou pokus-omyl. 1.4. MEZIMLEKULÁRNÍ INTERAKCE Supramolekulární chemie se v podstatě zabývá tak zvanými nevazebnými interakcemi. Již z toho, co je známo z koordinační chemie, je zřejmé, že je to velké zjednodušení. Přesto je výhodné ve stručnosti pojednat o interakcích, které v supramolekulární chemii hrají významnou roli. Tato část je v podstatě zkráceným textem kapitoly 5 ze skripta Molekulární design (Stibor, Lhoták; skriptum VŠCT Praha, 1997). Díky mnohočetnému výskytu různých slabých interakcí mezi dvěma interagujícími molekulami dochází ke sčítání jejich celkového účinku, který pak může být dokonce významnější, než by tomu bylo s využitím klasické vazby. Tato vlastnost těchto interakcí se B A B A B A C D b a G C D b e a f G C D c d b e a f G E F E F E F br. 1.8. Aditivita slabých interakcí a) označuje termínem princip aditivity, který je schematicky znázorněn na obrázku 1.8. Je zřejmé, že interakce mezi hostitelem a hostem G zachycená na obrázku a) je méně příhodná ke vzniku pevného intermolekulárního komplexu, než situace b) nebo c), přičemž rozdíl spočívá v četnosti vzájemných interakcí. Předpokladem je samozřejmě vzájemná komplementarita interagujících vazebných center, pokud jde o charakter slabých sil a jejich b) c) 10

geometrické (prostorové) uspořádání. Matematicky můžeme tuto situaci popsat pomocí aditivních volných energií individuálních interakcí G G = G Aa + G Bb + G Cc + G Dd +... popřípadě pomocí individuálních konstant stability. K G = Κ Aa. Κ Bb. Κ Cc. Κ Dd... Tato vlastnost umožňuje za určitých okolností určit kvantitativně příspěvek jednotlivé slabé interakce k celkovému procesu komplexace..-j.schneider, profesor na universitě v Saarbrückenu publikoval na toto téma řadu mimořádně zajímavých prací a o podobnou věc u interakce peptidů a bílkovin se pokusil Dudley Williams z xfordu. Výsledky prvního z nich lze nalézt na jeho www stránkách (http://www.uni-saarland.de/fak8/schneider/), u druhého je nutno odkázat na přehlednou a původní literaturu. Na základě modelových látek můžeme dojít k lepšímu pochopení mezimolekulárních interakcí a pravidel, kterými se řídí molekulární rozpoznání. becně přijaté dělení podle mechanismu jejich vzniku rozpoznává čtyři základní druhy nevazebných intermolekulárních interakcí: - elektrostatické interakce - induktivní síly - disperzní síly - donor-akceptorové interakce 1.4.1. Elektrostatické interakce Pravděpodobně nejjednoduššími nevazebnými silami z hlediska pochopení mechanismu jejich vzniku jsou elektrostatické síly, uplatňující se při vzájemných interakcích nabitých částic, popř. částic vykazujících permanentní dipólmoment (látky s nesymetrickým rozložením elektronové hustoty), popř. kvadrupól. Při jejich popisu je možné vyjít z geometrické představy znázorňující jednotlivé typy interakcí: ion-ion interakce si lze geometricky přiblížit jako bod-bod interakci br. 1.9. Ion-ion interakce 11

ion-dipól interakce představuje bod-vektor interakci, br. 1.10. Ion-dipól interakce interakce mezi dvěma dipóly pak reprezentuje vektor-vektor interakci br. 1.11. Dipól-dipól interakce Pokud jde o velikost výše zmíněných sil, je zřejmé, že nejsilnější vzájemná interakce bude u dvou bodových nábojů e 1 a e 2, kde je síla interakce F dána vzorcem: ee 1 2 F = 2, 4πε r přičemž ε 0 představuje permitivitu prostředí a r je vzdálenost obou interagujících částic. Elektrostatické síly mezi dvěma náboji se někdy také označují jako coulombické síly a jejich doménou je anorganická, popř. koordinační chemie tedy velmi zhruba řečeno chemie iontových látek. Jejich význam z hlediska molekulárního designu spočívá hlavně v "host- -guest" chemii iontových látek, jako je např. komplexace kationtů či aniontů. Jsou mezi elektrostatickými silami jedinými, kde nezáleží na vzájemné geometrii interagujících částic - isotropní interakce. Pro sílu ion-dipólové nebo dipól-dipólové interakce lze odvodit podobný vztah, kde ovšem vzdálenost r vystupuje jako r -5, popřípadě r -7, takže obě zmíněné interakce jsou mnohem kratšího dosahu než coulombické síly. Přesto však zvláště dipól-dipólové interakce (známé také jako Keesonovy síly) tvoří rozhodující složku intermolekulárních interakcí polárních organických látek. Z dalších je možné připomenout ještě interakci ion-kvadrupól, tvořící hlavní složku tzv. kation-π interakcí u aromátů (viz dále). 1.4.2. Induktivní síly Přiblížením molekuly s permanentním dipólem k neutrální částici dochází k vybuzení dipólu v neutrální molekule a tím i ke vzniku atraktivních sil mezi oběma částicemi (br. 1.12). Výsledné síly (někdy označované jako Debyeovy síly) jsou úměrné vzdálenosti r -7 a přímo závisí na velikosti dipólmomentu a polarizovatelnosti neutrální molekuly. Některými autory jsou induktivní interakce zařazovány mezi tzv. van der Waalsovy síly (viz dále). 0 12

δ δ+ δ + δ br. 1.12. Vznik induktivní interakce mezi permanentním dipólem a neutrální částicí 1.4.3. Disperzní síly U látek bez permanentního dipólu nebo náboje jsou nejdůležitějšími interakcemi síly disperzní, někdy označované také jako síly Londonovy nebo van der Waalsovy, které jsou zodpovědné například za uspořádání molekul v krystalové mřížce nebo za interakce mezi nepolárními molekulami (díky nim je možné třeba zkapalňování alkanů nebo vzácných plynů). Podstatou těchto sil jsou interakce mezi indukovanými dipóly (multipóly) v jinak nepolárních látkách vznikajících při pohybu elektronů na orbitálních drahách. Jak je vidět z obrázku, vznik takového časově omezeného dipólu v jedné molekule vede k indukování podobného dipólu v molekule sousední, a tím i ke vzniku atraktivních sil. br 1.13. Vznik disperzních přitažlivých sil v neutrálních částicích Disperzní síly ovšem nejsou pouze silami přitažlivými, ale i odpudivými. Přiblíží-li se dvě neutrální molekuly příliš blízko k sobě, jejich elektronové oblaky se začnou odpuzovat, takže zcela převládnou síly odpudivé. Jejich dosah je tedy mnohem kratší (jsou úměrné r -12 ) než přitažlivé složky (závislost na r -6 ) disperzních sil. Rovnováha těchto sil je velmi důležitá při uspořádání molekul v krystalové mřížce a také v "host-guest" chemii, protože jsou to právě odpudivé a přitažlivé disperzní síly (van der Waalsovy síly), které definují tvar a konformaci molekul. Grafické vyjádření závislosti disperzních sil na meziatomové vzdálenosti ilustruje obrázek 1.14. 13

br. 1.14. Vztah mezi energií a vzdáleností r dvou neutrálních částic 1.4.4. Donor-akceptorové interakce Vazba nemusí vznikat vždy jen spárováním elektronů ze dvou různých atomů, ale někdy je možné, že oba elektrony poskytuje pouze jedna z interagujících částic (donor), zatímco druhá částice působí jako jejich příjemce (akceptor). Pro tento případ je užíván název donor-akceptorová, dativní nebo koordinační vazba. bvykle je donorem látka obsahující volné (nevazebné) elektronové páry a akceptorem částice s prázdným molekulovým orbitalem. Klasifikace donorů a akceptorů. Jak bylo již předesláno u koordinačních sloučenin, lze z hlediska Lewisovy teorie kyselin a zásad všechny donory označit za Lewisovy báze a akceptory za Lewisovy kyseliny, proto na vznik donor-akceptorových komplexů lze pohlížet jako na acidobazický děj. V případě interakce protonu s amoniakem dochází ke vzniku amonného kationtu N 4 +, o kterém je známo, že všechny vazby N- jsou rovnocenné, takže donor-akceptorová interakce přechází vlastně v normální kovalentní vazbu. Je velmi obtížné předpovědět sílu donor-akceptorové vazby na základě znalosti chemické struktury donoru a akceptoru. Pokusy uspořádat donor-akceptorové komplexy podle síly dativní vazby vyústily až ve vytvoření Pearsonovy teorie tvrdosti a měkkosti bází a kyselin. Tyto vlastnosti nemohou být přesně změřeny, je však možné je kvalitativně popsat a vytvořit příslušný klasifikační systém. Byly vytvořeny čtyři skupiny látek: a) Měkké báze. Donorové atomy mají nízkou elektronegativitu a vysokou polarizovatelnost, snadno se oxidují, valenční elektrony nejsou pevně vázány. b) Tvrdé báze. Donorové atomy vykazují vysokou elektronegativitu a nízkou polarizovatelnost, obtížně se oxidují, valenční elektrony jsou silně vázány. c) Měkké kyseliny. Atomy akceptoru jsou velké, mají nízký pozitivní náboj, obsahují nevazebné elektronové páry ve svých valenčních sférách a vykazují vysokou polarizovatelnost a nízkou elektronegativitu. d) Tvrdé kyseliny. Atomy akceptoru jsou malé, mají vysoký pozitivní náboj, neobsahují nevazebné elektronové páry ve svých valenčních sférách a vykazují nízkou polarizovatelnost a vysokou elektronegativitu. Pro klasifikaci kyselin platí empirické pravidlo, že jsou-li stability jejich komplexů s různými donorovými atomy v pořadí: 14

N>>P>As>Sb>Bi; >>S>Se>Te; F>>Cl>Br>I, pak jsou tyto kyseliny tvrdé. pačná závislost stability komplexů je charakteristická pro měkké kyseliny. Je opět velmi obtížné stanovit přesné pořadí tvrdosti či měkkosti kyselin a zásad. Pro ilustraci, měkkost bází stoupá v řadě I - > Br - > Cl - > F - nebo případně - C 3 > - N 2 > - > F -, což ukazuje obecné trendy u analogických derivátů v periodické soustavě. Základem celé koncepce je postulát, že stejné má rádo stejné, tedy tvrdé báze (donory) upřednostňují reakce s tvrdými kyselinami (akceptory), zatímco měkké báze preferují měkké kyseliny. Tato koncepce neříká nic o skutečné síle kyseliny či zásady, ale hovoří o tom, že silný komplex vznikne interakcí D a A, pokud jsou obě částice měkké nebo tvrdé. Samotná Pearsonova koncepce nevychází z teorie, ale je založena na analýze velkého množství experimentálních dat. Teoretické vysvětlení výše zmíněných skutečností přinesla tzv. teorie hraničních orbitalů (Fukui). Tato teorie zjednodušeně říká, že za reaktivitu organických látek jsou obvykle odpovědné dva druhy orbitalů - M (highest occupied molecular orbital) a LUM (lowest unoccupied molecular orbital). Pro energii získanou překryvem orbitalů dvou interagujících molekul lze napsat následující rovnici, kde první člen vyjadřuje coulombický příspěvek, zatímco druhý člen představuje energetický příspěvek hraničních orbitalů: E QNuQEl = + ε R r E 2 ( c c β) Nu El E M( Nu) LUM( El) 2, kde Q Nu, Q El = celkové náboje na molekule nukleofilu, popř. elektrofilu ε r = lokální relativní permitivita R = vzdálenost mezi interagujícími částicemi c Nu, c El = koeficienty příslušných orbitalů β = rezonanční integrál E E = energetický rozdíl hraničních orbitalů M( Nu) LUM( El) Na obrázku 1.15.a) je zobrazena interakce M-LUM orbitalů, vedoucí k vytvoření kovalentní vazby a tím i energetickému zisku E 1. Podobná interakce jiných než hraničních orbitalů je spojena s mnohem menším energetickým ziskem (E 2 na br. 1.15.b), takže jejich vliv lze skutečně zanedbat. Na obrázku 1.15.c) je pak znázorněna situace, kdy M a LUM jsou energeticky velmi vzdáleny, takže vznikající vazba je velmi silná a vykazuje spíše iontovou povahu. Podle charakteru hraničních orbitalů lze rozdělit elektrofily popř. nukleofily na měkké a tvrdé: Tvrdé nukleofily mají M o nízké energii a obvykle nesou záporný náboj. Tvrdé elektrofily mají LUM o vysoké energii a obvykle mají kladný náboj. Měkké nukleofily mají M o vysoké energii a nemusí mít záporný náboj. Měkké elektrofily mají LUM o nízké energii a nemusí mít kladný náboj. To znamená, že interakce mezi tvrdým nukleofilem a tvrdým elektrofilem vede k interakci dvou energeticky vzdálených hraničních orbitalů (situace na br. 1.15.c)) a je způsobena převážně coulombickým příspěvkem. bdobně, reakce mezi měkkým elektrofilem a 15

nukleofilem (br. 1.15.a)) je umožněna díky velkému energetickému zisku vzniklému interakcí dvou energeticky rovnocenných hraničních orbitalů (kovalentní povaha vazby). br. 1.15. M-LUM interakce Spektrální důkaz slabých donor-akceptorových komplexů Při vzniku donor-akceptorového komplexu dochází k přesunu elektronové hustoty z donoru na akceptor. Proto jsou tyto komplexy také někdy nazývány charge-transfer komplexy (tento název je obvykle vyhrazen pouze pro slabé, tzv. molekulární komplexy, někdy se používá také termín EDA komplex = elektrondonor-akceptorový komplex). Přechod elektronu z obsazeného vazebného orbitalu ψ B do antivazebného ψ A má za následek vznik nového absorpčního pásu, který není přítomen ve výchozích látkách - charge transfer pás. Právě přítomnost tohoto nového pásu v UV/VIS spektrech směsi donoru a akceptoru spolehlivě indikuje výskyt slabých donor-akceptorových komplexů. Předpokládá se, že geometrie slabých charge-transfer komplexů není v roztoku pevně fixována a pro různé geometrie daného komplexu existují různé excitační energie hν CT. To má za následek rozmytí tvaru CT pásu za vzniku širokých bezvibračních struktur. Příklady intermolekulárních nevazebných sil v reálných prostředích V reálných prostředích působí všechny výše zmíněné nevazebné interakce společně, takže rozlišení a kvantifikace jejich individuálních vlivů jsou mnohdy velmi obtížné. Některé typy interakcí, běžně popisované v literatuře jako speciální druhy mezimolekulárních sil, se ukázaly být nedělitelnou směsí několika základních druhů. Z historických, popř. didaktických důvodů je však výhodné tyto interakce zahrnout do samostatných kapitol. V následujícím textu se tedy budeme věnovat popisu některých, které patří mezi nejvýznamnější složené (komplexní) nevazebné interakce. 1.4.5. Vodíková vazba Vodíkové vazby představují v organické chemii dlouho známý fenomén odpovědný např. za neobvykle vysoké teploty varu některých látek (např. 2,, F). Největší význam ale spočívá v jejich uplatnění v biochemických procesech, kde zásadním způsobem ovlivňují nebo zprostředkovávají životně důležité pochody, jako je párování bází v DNA, zachování sekundární struktury proteinů, činnost bioreceptorů, funkce enzymů a pod. Jejich význam spočívá také v tom, že jejich energie (8-12 kj.mol -1 ) odpovídá termálním fluktuacím 16

za fyziologických podmínek, takže mohou být spojeny či rozpojeny za podmínek živých biologických systémů. Vodíková vazba je výsledkem přitažlivých sil, které se objevují mezi donorem X-, kde vodíkový atom je vázán na silně elektronegativní atom X, a mezi akceptorem A (popřípadě více akceptory), kterým je jiný elektronegativní atom vázaný kovalentně v sousedství skupiny X-. Elektrony kovalentní vazby -X jsou posunuty směrem k elektronegativnějšímu atomu X, čímž dochází ke vzniku permanentního dipólu s kladným nábojem na atomu vodíku (br. 1.16.). δ δ+ δ δ+ X A R br. 1.16. Vznik vodíkové vazby podle elektrostatické teorie Coulombickou interakcí mezi tímto dipólem a akceptorem A, který sám vykazuje zvýšenou elektronovou hustotu, pak může dojít ke vzniku vodíkové vazby, kde je atom vodíku vázán ke dvěma atomům. Tato tzv. elektrostatická teorie -B vazby je podpořena mnoha experimentálními poznatky, mezi které patří přímý důkaz rozložení elektronové hustoty kolem inkriminovaného vodíkového atomu (neutronová difrakce), anisotropní stínění v 1 NMR spektroskopii nebo spektrální IR charakteristiky -B vazeb. Často se ovšem zdůrazňuje také jiný fakt, a to směrový charakter vodíkové vazby. Ten je sice v případě -B vazby méně vyhraněný než u vazby kovalentní, ale i tak je toto zjištění v rozporu s elektrostatickou teorií jejího vzniku. Na obrázku 1.17 je zobrazena typická geometrie vodíkové vazby, kde úhel...-x je blízký 120 stupňům, což by odpovídalo zapojení jednoho nevazebného elektronového páru kyslíku do -B vazby. Dnes přijímaný názor tedy říká, že -B vazba je tvořena br. 1.17. Typická geometrie silné vodíkové vazby převážně coulombickými silami s příspěvkem dalších slabých interakcí jako např. donor-akceptorových nebo indukčních. Silná a slabá vodíková vazba Jak již bylo naznačeno, nejsilnější vodíková vazba vzniká tehdy, je-li donor X- velmi elektronegativní atom a zároveň akceptor A vykazuje co nejvyšší elektronovou hustotu. Za těchto podmínek vzniká silná -B vazba, která může být stejně silná jako kovalentní, lépe řečeno: -B vazba plynule přechází do vazby kovalentní. Díky tomu, že výsledná vazba je téměř symetrická, nelze prakticky rozpoznat, který z atomů je donorem a který akceptorem. Jako příklad můžeme uvést vodíkovou vazbu v systémech F-...F -, -... - nebo + -... 17

Vzdálenost...A je v těchto případech 120-150 pm, přičemž platí, že délka vazby -X je přibližně stejná jako...a. proti tomu slabé vodíkové vazby, jejichž podstatnou částí jsou elektrostatické interakce, vykazují nesymetrické X-...A uspořádání, mnohem delší vzdálenost...a, nízkou směrovost a mnohem nižší vazebnou energii ( E < 20 kj mol -1 ). lavní rozdíly mezi silnou a slabou vodíkovou vazbou jsou shrnuty v tabulce 1.1. Tabulka 1.1. lavní rozdíly mezi silnou a slabou vodíkovou vazbou. Vlastnost Silná -B vazba Slabá -B vazba Typ vazby F-...F - X-...A, kde A je elektro- -... - negativní atom + -... Charakter vazeb pouze dvoucentrové vazby dvou, tří a čtyřcentrové vazby Délka vazeb úzké rozmezí široké rozmezí...a je 120-150 pm...a je 150-300 pm...a X-...A > X- Vazebné úhly Silně směrové Slabě směrové X-...A 180 o X-...A 160 ± 20 o Vazebná energie > 50 kj mol -1 < 20 kj mol -1 IR vibrace < 1600 cm -1 2000-3000 cm -1 Konfigurace vodíkové vazby Vznik vodíkové vazby zásadním způsobem ovlivňuje spektrální a strukturní vlastnosti původní kovalentní vazby X-, a proto byla těmto látkám věnována značná pozornost. Většina studovaných -B interakcí patřila ovšem zpočátku mezi silné vodíkové vazby (F, Cl...) a v souvislosti s tím přežívají dodnes v obecném povědomí některé mylné názory na fenomén vodíkové vazby. Je třeba zdůraznit, že takové vlastnosti, jako je linearita X-...A vazby, popř. krátká...a vzdálenost (mnohem menší než je vzdálenost vyplývající z van der Waalsových poloměrů), jsou typické pouze pro silné -B vazby. U slabých vodíkových vazeb, jichž je ovšem drtivá většina, je situace významně jiná. Typický úhel mezi X-...A se pohybuje kolem 165 o, což je hodnota konzistentní s teoretickou kalkulací na bázi ab-initio výpočtů. Neutronová difrakce společně s přesnou X- ray difrakcí potvrdily, že v krystalových strukturách je velmi častý strukturní motiv představující vazbu vodíku se třemi elektronegativními atomy najednou, přičemž s jedním z nich se jedná o vazbu kovalentní. Například u aminokyselin může donorová skupina - + poskytnout tři vodíkové atomy, avšak akceptor - C - může pojmout čtyři vodíkové vazby (po dvou ke každému atomu kyslíku). Analýza neutronových dat aminokyselin ukázala, že většina -B vazeb mezi skupinami obojetného iontu (46 ze 64 zaznamenaných) má třícentrový charakter. V tabulce 1.2. jsou shrnuty některé typy látek a zastoupení třícentrových vodíkových vazeb v jejich krystalických strukturách. Bylo prokázáno, že existují dokonce čtyřcentrové vodíkové vazby, jejich četnost je ovšem podstatně nižší - rozborem 1352 -B vazeb typu N...C= bylo nalezeno 6 takových případů. 18

Tabulka 1.2. Procentuální zastoupení třícentrové vodíkové vazby v celkovém počtu -B interakcí v krystalickém stavu (neutronová difrakce). Donor Akceptor Celkový počet Z toho % třícentro- -B vazeb vých vazeb Všechny typy molekul N + =C 1509 20 N =C Aminokyseliny N + =C 64 72 Sacharidy -- 100 25 Nukleosidy a nukleotidy (všechny typy -B vazeb) 529 24 Barbituráty, puriny, pyrimidiny (všechny typy -B vazeb) 832 27 1.4.6. π π interakce (π π stacking) Další komplexní typ mezimolekulárních sil představuje tzv. π π stacking, což je termín používaný pro interakce aromatických systémů tvořících charakteristické vrstvené struktury, jak je znázorněno na obrázku 1.18.a). Velmi často se lze setkat se systémy ve tvaru trojvrstvy, nazývané také π-sandwiche (obr. 1.18.b), přičemž tento motiv byl dále rozveden do struktury tzv. molekulárních pinzet ("molecular tweezers"), kde hostitelská molekula preorganizovaná do tvaru jakési pinzety dokáže "uchopit" vhodnou molekulu hosta pomocí zmíněných π π interakcí (obr.1.18.c)). G a) b) c) br. 1.18. Příklady vrstvených π-π komplexů. Naskýtá se ovšem otázka, jak je možné, že dva aromatické π systémy spolu vykazují atraktivní interakce, když bychom spíše očekávali síly repulzivní? Experimentální data ukazují, že dva aromatické systémy spolu mohou interagovat v zásadě dvěma způsoby: plochaplocha (face-to-face) nebo plocha-hrana (face-to-edge). Interakce typu plocha-hrana je v podstatě C-...π interakcí. Druhý typ je běžný v krystalické mřížce aromátů, jako je benzen, naftalen, antracen; také statistická analýza vzájemné orientace aromatických zbytků aminokyselin v proteinech potvrdila, že tento typ interakcí je velmi častý u biomolekul. Na druhé straně je zde množství experimentálních dat indikujících interakce, např. u akridinu a jeho 19

derivátů. Ukazuje se, že tento typ interakcí je uskutečňován a energeticky preferován ve vodných médiích, kde se uplatňuje hydrofobní efekt (viz dále), zatímco v organických roztocích spíše převažuje elektron donor-akceptorová (EDA) komplexace. Receptory využívající synchronního působení vodíkové vazby a π π interakcí Nukleotidové báze jsou považovány za ideální modely pro komplexaci, vzhledem k rigidnímu přesně definovanému uskupení vodíkových vazeb. Díky své planární aromatické struktuře mohou zároveň představovat potenciální systémy pro π π interakce. Spojením obou výše jmenovaných možností (-B vazby a π π interakce) uvnitř jedné molekuly by tedy mělo být možné konstruovat receptory se zvýšenou selektivitou. Další ilustrativní ukázkou významu π π interakcí může být série látek, uvedená na obrázku 1.19., založená na derivátech tzv. Kempovy (1,3,5-trimethyl-1,3,5-cyklohexantrikarboxylové) kyseliny. S rostoucím počtem aromatických jader (A D) zapojených do interakce s 9-ethyladeninem plynule stoupá komplexační konstanta procesu. Mimořádně silné komplexace bylo dosaženo u diamidu E, kde preorganizace kavity společně se zapojením dalších dvou -B vazeb vede ke zvýšení K c (v porovnání s monoamidem C) o dva řády. br.1.19. Deriváty Kempovy kyseliny a předpokládané struktury příslušných komplexů. 20