Jak drží pohromadě svět kolem nás: vědci z CEITEC experimentálně potvrdili sdílení elektronů mezi molekulami
CEITEC / Anagha Sasikumar et al.: K objasnění povahy mezimolekulární halogenové vazby je použita unikátní strategie kombinující paramagnetickou NMR spektroskopii pevného stavu a relativistickou teorii funkcionálu hustoty
Tým vědců z CEITEC Masarykovy univerzity (MUNI) vedený Radkem Markem jako první experimentálně prokázal pomocí citlivé metody jaderné magnetické rezonance (NMR), že i slabé síly mezi molekulami – tzv. halogenové vazby – mají částečně kovalentní povahu, tedy že molekuly navzájem sdílí elektrony. Tento jev je v molekulárních vědách běžně známý jen uvnitř jednotlivých molekul. Objev přináší nový pohled na to, jak se molekuly v přírodě i materiálech spojují, a může pomoci při návrhu a vývoji léčiv, katalyzátorů či moderních technologií.
CEITEC / Anagha Sasikumar et al.: The transmission of magnetization from a paramagnetic molecule to a probed atom in a diamagnetic molecule through a halogen bond is detected by supramolecular contact shift in NMR spectroscopy
Halogenová vazba vzniká tehdy, když se vhodně polarizovaný atom halogenu (například jodu nebo bromu) z jedné molekuly přitahuje k atomu jiné molekuly. Tyto a další mezimolekulové vazby jsou běžné v přírodních i umělých látkách a hrají roli třeba při rozpoznávání molekul v těle nebo při tvorbě krystalů. Tyto slabé přitažlivé síly jsou označované jako tzv. nekovalentní interakce, při nichž se molekuly jen přitahují pomocí elektrických sil, ale navzájem nesdílejí elektrony. Kovalentní vazba je naproti tomu klasický způsob, jak se atomy spojují – sdílejí páry elektronů a tvoří stabilní molekulu.
„Chtěli jsme zjistit, zda i velmi slabé síly mezi molekulami mohou mít kousek povahy chemické vazby, tedy způsob, jakým se mezi atomy sdílí nebo přenáší elektrony,“ říká Anagha Sasikumar, hlavní autorka studie. „Pomocí paramagnetické NMR jsme poprvé dokázali nepřímo změřit sdílení elektronů tak, jak to dosud nikdo nepozoroval. Tato metoda je ze své podstaty mimořádně citlivá – vidí i to, co jiné metody, jako rentgenová difrakce či infračervená spektroskopie, nezachytí.“
Paramagnetická NMR spektroskopie umožňuje sledovat přenos elektronového spinu mezi atomy pomocí jevu zvaného Fermiho kontaktní interakce. Tato interakce nyní vědcům umožnila přesně zjistit, jak velkou měrou molekuly v halogenové vazbě elektrony sdílejí. Podle autorů je metoda nejen přesnější než dříve používané přístupy, ale představuje i nový nástroj pro výzkum dalších typů interakcí mezi molekulami.
CEITEC / Anagha Sasikumar et al.: K objasnění povahy mezimolekulární halogenové vazby je použita unikátní strategie kombinující paramagnetickou NMR spektroskopii pevného stavu a relativistickou teorii funkcionálu hustoty
Objev potvrzuje dříve teoreticky předpokládaný jev zvaný supramolekulární kovalence. Vědci tak obrušují hranici mezi „nekovalentními“ a „kovalentními“ interakcemi, které určují, jak se molekuly v přírodě i v umělých látkách rozpoznávají a spojují. Jejich zjištění může vést k lepšímu pochopení principu sdílení elektronů mezi molekulami.
„To, že jsme dokázali propojit Fermiho kontaktní NMR posun s mírou sdílení elektronů i u těchto slabých supramolekulárních vazeb, nám umožňuje zpřesnit popis základních stavebních principů hmoty,“ doplňuje Radek Marek, vedoucí výzkumné skupiny Struktura biosystémů a molekulárních materiálů na CEITEC MUNI. „V budoucnu chceme stejnou metodu využít i pro jiné typy mezimolekulárních interakcí, abychom mohli předvídat jejich chování a navrhovat nové materiály či molekuly s požadovanými vlastnostmi,“ dodává.
Halogenové a další supramolekulární vazby například ovlivňují, jak se molekuly léčiv vážou na receptory, jak vznikají krystaly nebo jak probíhají chemické reakce. Lepší porozumění jejich povaze proto pomůže při návrhu „chytrých“ léčiv, účinnějších katalyzátorů a materiálů s vlastnostmi na míru – od řízeného uvolňování léčiv po molekulární kontakty v nanoelektronice.
Na výzkumu se kromě CEITEC a Přírodovědecké fakulty MUNI podíleli i odborníci z Ústavu makromolekulární chemie Akademie věd ČR. Projekt podpořila Grantová agentura České republiky.
Studie byla publikována v časopise Chemical Science (Royal Society of Chemistry, 2025).
Původní článek
Supramolecular covalency of halogen bonds revealed by NMR contact shifts in paramagnetic cocrystals
Anagha Sasikumar, Jan Novotný, Jan Chyba, Libor Kobera and Radek Marek
Chem. Sci., 2025,16, 20239-20244
