卤键本质与特征的计算化学研究

【作者】 朱正诞； 王桂敏； 徐志建； 陈照强； 王进安； Jiye Shi； 朱维良；

【机构】 中国科学院上海药物研究所药物发现与设计中心； 中国科学院大学；

【摘要】 卤键是一种被广泛应用于多个领域的非共价相互作用。根据IUPAC的定义1,卤键是指含卤分子实体中,卤原子的亲电区域,与同一或另一分子实体中亲核区域的净吸引作用。然而,近年来的研究和数据库搜索结果表明2,蛋白质晶体结构中可能存在9类电荷状态不同的的卤键,卤键供体及受体既可能是中性分子,也可能是带正电或负电的离子;而这些卤键作用并不能完全简单地用现有的定义加以阐述。为了阐明卤键的本质并帮助准确理解其定义,我们设计了几何结构高度可比而带电不同的9种可能的卤键体系,应用密度泛函理论及波函数分析等多种方法开展研究。结果发现,在蛋白质口袋的特殊环境中,9类不同带电的卤键均可稳定存在。涉及Cl, Br, I的卤键在扣除背景库伦作用后的"净结合能"最强可分别达-1.2,-3.4,-8.3 kcal/mol。能量分解表明,所有卤键体系中都存在明显的轨道和色散作用,成为卤键吸引作用的基础;而静电作用既可为吸引也可为排斥,可显著影响卤键强度。卤键的形成过程中总伴随着电子从卤键供体向受体的单向转移,应被视为卤键作用的基本特征;卤键供体和受体的分子内电子再分布随体系电荷而变化,但结果总是利于形成更稳定的卤键。这些结果表明3,卤键作用可理解为含卤分子实体中卤原子的"固有"亲电区域,与同一或另一分子实体中的"固有"亲核区域的净吸引作用,轨道作用和色散作用为其基础,而单向电子转移为其特征(Fig. 1)。该研究结果将有助于进一步推动卤键在药物分子设计、分子识别等多个领域的广泛应用。更多还原