カルコゲン結合

化学において、カルコゲン結合（ChB ）は、ハロゲン結合とともに、σ-ホール相互作用のファミリーにおける引力相互作用です。^{[1] [2]}静電、電荷移動（CT）および分散項は、このタイプの相互作用に寄与するものとして特定されています。CT寄与の観点から、この引力相互作用のファミリー^[3]は、結合ドナーのCX結合（X =水素、ハロゲン、カルコゲン、ニクトゲンなど）のσ*軌道と相互作用する電子供与体（結合アクセプター）としてモデル化されています。静電相互作用の観点から、分子静電ポテンシャル（MEP）マップは、ドナーの電子密度と、電位が枯渇しているアクセプター上の求電子領域（σ-ホールと呼ばれる）を視覚化するためによく使用されます。 ChBは、水素結合やハロゲン結合と同様に、タンパク質の折り畳み、結晶工学、自己組織化、触媒、輸送、センシング、テンプレート、薬物設計など、さまざまな非共有結合相互作用に利用されてきました。^[4]

カルコゲン結合は、他の形態のσ-ホール相互作用に匹敵します。しかし、この相互作用への具体的な寄与は、まだ議論の余地があります。寄与する力は、分散/ファンデルワールス相互作用、静電相互作用、および軌道混合（CT）相互作用に分類できます。^[5]これらの寄与する引力は、異なるドナー-アクセプターペアに関連する結合強度の違いを説明するために呼び出されます。一部の著者は、静電相互作用が支配的になるのは、アクセプターとしてより硬いカルコゲン原子、具体的にはOとSの場合のみであると主張しています。^{[6] [7]}より重いグループ16同族体のカルコゲン結合は、分散力に起因すると考えられています。別の陣営では、これらの寄与は、ドナーn軌道とアクセプターσ*軌道間の軌道混合/非局在化と比較して小さいと考えられています。^[5]

カルコゲンはσ-ホール相互作用においてドナー分子とアクセプター分子の両方の役割を果たすため、異なる結合特性を区別するための幾何学的図式が作成された。σ*軌道は、カルコゲン結合のσ結合と正反対である。σ-ホール間の領域で、孤立電子対がドナー領域に局在する。これらの領域は、電子が枯渇したσ-ホール領域である求核ゲートと、電子が豊富なドナー領域である求電子ゲートと呼ばれている。^[8]

ハロゲンアニオン、アミン、π電子（ベンゼンなど）など、あらゆる電子供与体は、結合したカルコゲンのσホールに電子を供与することができます。ハロゲン結合と同様に、カルコゲン結合は2つのカルコゲン間で発生し、カルコゲン-カルコゲン結合を形成します。非共有結合相互作用は、Baderの分子内原子（AIM）モデルによってよく特徴付けられます。このモデルでは、結合は2つの核間に存在する結合臨界点（BCP）として定義されます。^[1]これは、分子の電子密度マップ上の鞍点として簡単に理解できます。水素結合とハロゲン結合はどちらもこの方法でよく特徴付けられます。以下に示すように、同じ分析がカルコゲン結合に対して実行されています。これらの分子のSとCl-間のBCPは、^非共有結合相互作用、この場合はカルコゲン-ハロゲン結合の証拠です。^[9]

カルコゲン結合を具体的に評価し、また一般的に広範囲の結合を評価するために使用される別の方法は、自然結合軌道（NBO）分析です。^[1] NBO分析は、共有結合のルイス型結合相互作用と非共有結合の非ルイス結合相互作用を区別します。カルコゲン結合は、n → σ*軌道の自然人口に基づいて評価されます。この軌道の人口が多いと、形状の変化にも反映されるはずです。

カルコゲン結合の静電マッピングと分子軌道による説明はどちらも、結合相互作用の方向性を予測する結果となる。水素結合またはハロゲン結合では、求電子領域/σ*軌道はσ結合の反対側に位置し、単一のσホールを形成する。したがって、最適な水素結合またはハロゲン結合は線形形状である。カルコゲン結合は同じ相互作用の結果である。しかし、カルコゲンが複数のシグマ結合を形成し、したがって複数のσホールを形成してそのような結合相互作用を形成する可能性がある。X線結晶構造の評価または振動分光法に基づく構造決定は、原子の近接性と方向に基づいてカルコゲン結合の証拠を提供することができる。ケンブリッジ構造データベースの調査により、タンパク質構造および分子の固体結晶において、カルコゲン結合相互作用の可能性が高いことが明らかになった。^{[10] [11]}

カルコゲンは電子供与体として機能するため、多くのシステムでは、カルコゲンをドナーとする水素結合とカルコゲン結合の間でバランスが取れている。^{[6] [12]}このバランスは、さまざまな置換カルコゲン間の一連の自己結合分子間相互作用で観察できる。アクセプターとして硬いカルコゲン原子を使用する場合、バランスはカルコゲンとメチルH間の水素結合に有利となる。しかし、アクセプター原子がグループの下に移動すると、カルコゲン-カルコゲン結合が有利となる。カルコゲン-カルコゲン結合では、より軽い同族体の場合に静電力が優勢となるはずであり、代わりに、より重い同族体の場合には分散力が優勢となると仮定されている。

カルコゲン-カルコゲン結合力と水素結合力を比較する方法として、様々な溶媒環境がカルコゲン-カルコゲン結合に与える影響を比較する方法があります。この研究は、ある構造（閉じた構造）でカルコゲン-カルコゲン分子内結合を持ち、別の構造（開いた構造）で溶媒相互作用にさらされた一連の分子で行われています。そのような研究の1つでは、閉じた構造の好みは溶媒環境にほとんど依存しないことがわかりました。^[5]これは、溶媒の双極子モーメント、分極率、または水素結合特性の変化が、カルコゲン-カルコゲン結合と溶媒相互作用のバランスに影響を与えなかったことを意味すると解釈されました。このような結論は、カルコゲン-カルコゲン結合に関与する分散力と静電力が相互作用に大きな影響を与えないことを意味します。代わりに、軌道相互作用が結合相互作用を支配していることを意味します。

弱い相互作用が重要なシステムへのカルコゲン結合の設計には、幅広い応用が提案されています。これには、薬物設計、センシング、高度に選択的な触媒反応に見られるように、鍵と鍵穴のモデルのような、特定の認識または分子に依存する領域が含まれます。追加の応用は、分子の特定のパッキングがバルク特性に劇的な影響を与える可能性がある固体科学および材料科学です。

薬物設計は、生物学的に重要な特性を変化させる分子設計を含む幅広い範囲に及びます。弱い相互作用に関しては、薬物と生物学的に重要な分子またはタンパク質とのリガンドのドッキング/結合、およびさまざまな結合モードによる関連する生物学的効果を調整することを目的としています。特定の結合を決定する弱い相互作用は、標的と薬物間の原子間相互作用である場合もあれば、薬物自体の分子内相互作用である場合もあります。これらは通常、コンフォメーションの好みに影響します。薬物とその標的間の分子間カルコゲン結合の例はほとんど知られていません。しかし、カルコゲン結合相互作用による安定化に起因する薬物分子の明確なコンフォメーションの好みが示されています。これらには、カルコゲン結合アクセプターとしてカルコゲン複素環が最も一般的に関与しています。^[13]

配座の優先性は、1,4、1,5、1,6 O•••S相互作用、1,4および1,5 N•••S相互作用、およびS•••芳香族相互作用を含む、さまざまな分子内カルコゲン結合から導き出されます。これらの相互作用の各クラスは、カルコゲン結合によって一部の化合物の効力が最大1500倍も異なる結果となった大規模な薬物クラスで構成されています。^[14] 2価硫黄は、ハロゲン結合で見られるように直接外側に向くのではなく、分子の側面に角度をつけてσ*軌道を向けるため、分子内カルコゲン結合が分子間相互作用に勝ると仮定されています。^[13]

触媒におけるカルコゲン結合は、基質を事前に配向させるために使用されており、基質の好ましい配座に対する不斉/立体選択的触媒作用を可能にしている。例としては、キラルイソチオ尿素によって触媒されたエナンチオマー混合物に対する不斉アシル転移が挙げられる。アシル基は最初にキラル触媒に転移され、これは触媒上で1,5カルコゲン結合相互作用を特徴とする遷移状態を経るとされ、これによりアシル基が基質に転移する前に配向される。その結果、基質の1つのエナンチオマーがアシル化され、残りの基質には他のエナンチオマーが豊富に含まれる。^[15]同様の相互作用は、立体選択的マイケル付加およびβ-ラクトン化でも引き起こされている。^[16]