Oddziaływania

Oddziaływania

Obliczenie energii oraz sposobu oddziaływania cząsteczek, atomów wykorzystuje się między innymi do:

• badania oddziaływań ligand – enzym
• tłumaczenie zjawisk obserwowanych np.: zmiana przesunięcia chemicznego, częstości drgań
• w nanotechnologii w projektowanie katalizatorów, na którym następuje adsorpcja składników na powierzchni, np.: materiały do magazynowania, chemochipy, usuwanie zanieczyszczeń
• w badaniu właściwości chemicznych substancji – cieczy, gazów, ciał stałych
• wizualizacja eksperymentów

Atomy oddziaływają ze sobą tworząc wiązania chemiczne, a przez to cząsteczki, są to jedne z silniejszych oddziaływań ok. 50 – 200 kcal/mol. Cząsteczki oddziaływują ze sobą, tworząc kompleksy, dimery, układy o bogatej strukturze przestrzennej. Oddziaływania pomiędzy cząsteczkami mogą mieć różny charakter:

oddziaływania jon-jon – elektrostatyczne – zachodzi ono pomiędzy dwiema cząsteczkami, która jedna jposiada ładunek dodatni, a druga ujemny. Różnica pomiędzy tym oddziaływaniem a wiązaniem jonowych jest taka, że ładunek w oddziaływujących cząsteczkach jest rozproszony na atomach cząsteczek. Energia tego oddziaływania jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości pomiędzy cząsteczkami 1/r².

oddziaływania van der Waalsa – jest to bardzo słabe oddziaływanie związane z nakładaniem się promieni van der Waalsa atomów znajdujących się w pobliżu siebie. Energia tego oddziaływania jest bardzo mała ok 0.25 kcal/mol.

wiązania wodorowe – jednym ze sposobów oddziaływań między i wewnątrz cząsteczkowego są wiązania wodorowe. Odpowiedzialne są one za tworzenie wyższorzędowych struktur białkowych, komplementarności zasad w kwasach nukleinowych, a także w oddziaływaniach ligandów w centrach aktywnych enzymów. Są także pierwszym etapem w niektórych reakcji chemicznych. Wiązania wodorowe występujące w rozpuszczalnikach podwyższają ich temperaturę wrzenia oraz topnienia. Schemat wiązania wodorowego możemy przedstawić w postaci:

D-H^…A

Gdzie D jest oznaczeniem donora czyli atomu powiązanego kowalencyjne z protonem, H jest atomem wodoru, A jest akceptorem w wiązaniu wodorowym. Akceptor jest to atom obdarzony wolną parą elektronową lub układ z elektronami π. Klasyczne wiązanie wodorowe powstaje w układach, gdzie atom wodoru powiązany jest wiązaniem kowalencyjnym z donorem, który cechuje się dużą elektroujemnością (np. atom tlenu lub azotu). Wiązanie to jest spolaryzowane i dzięki temu na atomie wodoru powstaje deficyt elektronów – wzrost ładunku dodatniego. Dzięki temu atom wodoru może oddziaływać dodatkowo z akceptorem (A), który bogaty jest w elektrony. Wyniku, czego postaje słabe oddziaływanie elektrostatyczne, oraz dodatkowo przeniesienie ładunku z akceptora na atom wodoru i donoru, a także polaryzacja chmur elektronowych tych pierwiastków. Donorami mogą być grupy –OH, –NH, –SH, –CH, –PH i inne. Akceptorami mogą być atomy posiadające wolną parę elektronowa O, S, Se, Te, P, atom fluorowca a także układy π-elektronowe. Wiązanie wodorowe możemy podzielić ze względu na geometrię jako liniowe bądź osiowe (patrz zadanie X), a także ze względu na energię jako silne, średnie oraz słabe. Krótka charakterystyka tych wiązań znajduję się poniższej Tabeli:

Ze względu na szerokie występowania wiązań wodorowych oraz ich role w naturze wiązania te bada się różnymi metodami spektroskopowymi takimi jak IR, RAMAN, NMR, UV-vis, a także metodami obliczeniowymi.