En química , un enlace calcógeno ( ChB ) es una interacción atractiva en la familia de interacciones σ-agujero , junto con enlaces halógenos . [1] [2] Se han identificado términos electrostáticos , de transferencia de carga (CT) y de dispersión que contribuyen a este tipo de interacción. En términos de contribución de CT, esta familia de interacciones atractivas [3] se ha modelado como un donante de electrones (el aceptor de enlace) que interactúa con el orbital σ* de un enlace CX (X= hidrógeno , halógeno , calcógeno , pnicógeno , etc.) del donante de enlace. En términos de interacciones electrostáticas, los mapas de potencial electrostático molecular (MEP) a menudo se invocan para visualizar la densidad electrónica del donante y una región electrofílica en el aceptor, donde el potencial se agota, denominada σ-agujero. Los ChB, al igual que los enlaces de hidrógeno y halógeno, se han invocado en varias interacciones no covalentes , como el plegamiento de proteínas , la ingeniería de cristales , el autoensamblaje , la catálisis , el transporte, la detección, la creación de plantillas y el diseño de fármacos . [4]
El enlace calcógeno es comparable a otras formas de interacciones σ-agujero. Sin embargo, las contribuciones específicas a esta interacción aún son un tema de debate. Las fuerzas contribuyentes se pueden dividir en interacciones de dispersión / van der Waals , interacciones electrostáticas e interacciones de mezcla orbital (CT). [5] Estas fuerzas de atracción contribuyentes se invocan para explicar las diferencias en la fuerza de enlace asociadas con diferentes pares donante-aceptor. Algunos autores argumentan que las interacciones electrostáticas dominan solo en el caso de átomos de calcógeno más duros como aceptores, específicamente O y S. [6] [7] Se cree que el enlace calcógeno de congéneres más pesados del grupo 16 es atribuible más a fuerzas de dispersión. En un campo separado, estas contribuciones se consideran menores en comparación con la mezcla orbital/deslocalización entre el orbital donante n y el orbital aceptor σ*. [5]
Dada la doble capacidad de los calcógenos de servir como moléculas donadoras y aceptoras para interacciones de σ-huecos, se ha generado un esquema geométrico para distinguir entre los diferentes caracteres de enlace. El orbital σ* es exactamente opuesto a los enlaces σ para un enlace de calcógeno. Es la región entre los σ-huecos en la que los pares solitarios se localizan en una región donadora. Estas regiones se han denominado la puerta nucleófila, las regiones de σ-huecos que están empobrecidas en electrones, y la puerta electrofílica, la región donadora que está enriquecida en electrones. [8]
Cualquier donante de electrones puede donar electrones al agujero σ de un calcógeno enlazado, incluyendo aniones halógenos, aminas y electrones π (como el benceno). De manera similar al enlace halógeno, el enlace calcógeno puede ocurrir entre dos calcógenos, dando como resultado un enlace calcógeno-calcógeno. Las interacciones no covalentes están bien caracterizadas por el modelo de átomos en moléculas (AIM) de Bader, que define un enlace como cualquier punto crítico de enlace (BCP) existente entre dos núcleos. [1] Esto puede entenderse simplemente como un punto de silla en un mapa de densidad electrónica de una molécula. Los enlaces de hidrógeno y halógeno están bien caracterizados por este método. El mismo análisis se ha realizado en enlaces calcógenos, como se muestra a continuación. Los BCP entre S y Cl − en estas moléculas son evidencia de las interacciones no covalentes, en este caso enlaces calcógeno-halógeno. [9]
Otro método utilizado para evaluar el enlace calcógeno específicamente y una amplia gama de enlaces en general es el análisis de orbitales de enlace natural (NBO). [1] El análisis NBO distingue entre interacciones de enlace covalentes, de tipo Lewis, e interacciones de enlace no covalentes, de tipo Lewis. El enlace calcógeno se evaluará en función de la población natural del orbital n → σ*. Una mayor población de este orbital también debería reflejarse en cambios en la geometría.
Tanto el mapeo electrostático como la explicación de los orbitales moleculares para el enlace de calcógeno dan como resultado una direccionalidad predicha para la interacción de enlace. En un enlace de hidrógeno o halógeno, la región electrofílica/orbital σ* se ubican opuestos al enlace σ, formando un único agujero σ. Los enlaces óptimos de hidrógeno o halógeno son, por lo tanto, lineales en geometría. El enlace de calcógeno es un resultado de la misma interacción. Sin embargo, es posible que los calcógenos formen múltiples enlaces sigma y, por lo tanto, múltiples agujeros σ para formar tales interacciones de enlace. Las evaluaciones de las estructuras cristalinas de rayos X o las determinaciones de la estructura basadas en la espectroscopia vibracional pueden proporcionar evidencia del enlace de calcógeno en función de la proximidad y la orientación de los átomos. Los estudios de la Base de datos estructural de Cambridge han revelado una alta frecuencia de probables interacciones de enlace de calcógeno en estructuras de proteínas y cristales de estado sólido de moléculas. [10] [11]
Debido a la capacidad de un calcógeno de funcionar como donante de electrones, muchos sistemas se equilibrarán entre la unión de hidrógeno con el calcógeno como donante o la unión de calcógeno. [6] [12] Este equilibrio se puede observar en una serie de interacciones intermoleculares de autoenlace entre varios calcógenos sustituidos. En los casos con átomos de calcógeno duro como aceptores, el equilibrio favorece la unión de hidrógeno entre el calcógeno y el metilo H. Sin embargo, a medida que los átomos aceptores se mueven hacia abajo en el grupo, se favorecerá la unión calcógeno-calcógeno. Se plantea la hipótesis de que las fuerzas electrostáticas solo deberían dominar en un enlace calcógeno-calcógeno con congéneres más ligeros, y en cambio, que las fuerzas de dispersión dominan en los casos de congéneres más pesados.
Un medio para comparar las fuerzas de enlace calcógeno-calcógeno con el enlace de hidrógeno es comparar el efecto de varios entornos de disolventes sobre el enlace calcógeno-calcógeno. Esto se ha hecho en una serie de moléculas que presentan un enlace intramolecular calcógeno-calcógeno en una conformación (cerrada) y expuestas a interacciones con disolventes en otra (abierta). Uno de estos estudios encontró que la preferencia por la conformación cerrada casi no mostró dependencia del entorno del disolvente. [5] Esto se interpretó como que los cambios en el momento dipolar del disolvente, la polarizabilidad o el carácter del enlace de hidrógeno no influyeron en el equilibrio entre el enlace calcógeno-calcógeno y las interacciones con el disolvente. Tal conclusión significaría que las fuerzas de dispersión y las fuerzas electrostáticas involucradas en el enlace calcógeno-calcógeno no influyen principalmente en la interacción. En cambio, esto significaría que la interacción orbital domina la interacción de enlace.
Se ha propuesto una amplia gama de aplicaciones para diseñar enlaces de calcógeno en sistemas donde las interacciones débiles son cruciales. Esto puede incluir áreas que dependen del reconocimiento específico de moléculas, una especie de modelo de llave y cerradura , como se ve en el diseño de fármacos, la detección y la catálisis altamente selectiva. Otras aplicaciones se encuentran en la ciencia de los materiales y del estado sólido , donde un empaquetamiento particular de moléculas puede afectar drásticamente las propiedades en masa.
El diseño de fármacos es un concepto amplio que incluye el diseño molecular para variar las características biológicamente relevantes. En lo que respecta a las interacciones débiles, el diseño tiene como objetivo ajustar la unión de ligandos de fármacos a moléculas o proteínas biológicamente relevantes y los efectos biológicos asociados de varios modos de unión. La interacción débil que dicta la unión específica puede ser interatómica entre el objetivo y el fármaco, o puede ser intramolecular en el propio fármaco, lo que normalmente afecta a una preferencia conformacional. Se conocen muy pocos ejemplos de enlaces intermoleculares de calcógeno entre un fármaco y su objetivo. Sin embargo, se han demostrado claras preferencias conformacionales en moléculas de fármacos que se atribuyen a la estabilización de las interacciones de enlaces de calcógeno. Estas suelen implicar heterociclos de calcógeno como aceptores de enlaces de calcógeno. [13]
La preferencia conformacional puede derivarse de varias clases de enlaces calcógenos intramoleculares, incluidas las interacciones 1,4, 1,5 y 1,6 O•••S, las interacciones 1,4 y 1,5 N•••S y las interacciones S•••aromáticas. Cada clase de estas interacciones está formada por grandes clases de fármacos en los que los enlaces calcógenos han dado como resultado una diferencia de hasta 1500 veces en la potencia de algunos compuestos. [14] Se plantea la hipótesis de que los enlaces calcógenos intramoleculares compiten con las interacciones intermoleculares, ya que el azufre divalente dirigirá los orbitales σ* en ángulos que flanquean la molécula en lugar de directamente hacia afuera como se ve en los enlaces halógenos. [13]
La unión de calcógeno en catálisis se ha utilizado para preorientar el sustrato, lo que permite una catálisis asimétrica/estereoselectiva en la conformación preferida del sustrato. Los ejemplos incluyen una transferencia de acilo asimétrica en una mezcla enantiomérica catalizada por una isotiourea quiral. El grupo acilo se transfiere primero al catalizador quiral que supuestamente pasa por un estado de transición que presenta una interacción de unión de calcógeno 1,5 en el catalizador que orienta el grupo acilo antes de la transferencia al sustrato. Esto dio como resultado que un enantiómero del sustrato se acila y el sustrato restante se enriquezca con el otro enantiómero. [15] Se han invocado interacciones similares en adiciones de Michael estereoselectivas y β-lactonizaciones. [16]
