Whereas much of organic chemistry has classically dealt with the preparation and study of the properties of individual molecules, an increasingly significant portion of the activity in chemical research involves understanding and utilizing the nature of the interactions bet w e n molecules. Two representative areas of this evolution are supramolecular chemistry and molecular recognition. The interactions between molecules are governed by intermolecular forces whose energetic and geometric properties are much less well understood than those of classical chemical bonds between atoms. Among the strongest of these interactions, however, are hydrogen bonds, whose directional properties are better understood on the local level (that is, for a single hydrogen bond) than many other types of nonbonded interactions. Nevertheless, the means by which to characterize, understand, and predict the consequences of many hydrogen bonds among molecules, and the resulting formation of molecular aggregates (on the microscopic scale) or crystals (on the macroscopic scale) has remained largely enigmatic. One of the most promising systematic approaches to resolving this enigma was initially developed by the late M. C. Etter, who applied graph theory to recognize, and then utilize, patterns of hydrogen bonding for the understanding and design of molecular crystals. In working with Etter's original ideas the power and potential utility of this approach on one hand, and on the other, the need to develop and extend the initial Etter formalism was generally recognized. It with that latter purpose that we originally undertook the present review.

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deren Freundschaft in ihre Tage als Mannschaftskameraden im Softball-Team des Yale University Chemistry Department Anfang der sechziger Jahre zuriickreicht.Muster von H-Brucken in organischen Kristallen pladiertL2 -' 1. Es gab betrachtliches Interesse an dieser MethodeC7]. und es erschien uns notwendig, unsere fruheren formalen Darstellungen der Regeln zur Bestimmung von Graphensatzen zu erweitern. Dariiber hinaus erkannten wir in dem MaDe, in dem wir selbst Erfahrungen sammelten, und als Ergebnis zahlreicher Anfragen anderer, die ebenfalls versuchten, diese Methoden anzuwenden, eine Reihe von Problemen, MiBverstandnissen und Zweideutigkeiten in den Anleitungen, die fruher zur Bestimmung der Graphensatze gegeben worden ~a r e n [~' 'I. Wir hielten es daher fur angebracht, diese Regeln hier unter mehr praktischen Gesichtspunkten zusammenzufassen und eine Reihe von Beispielen zu prasentieren, die zusatzliche Hilfestellung geben und als Richtlinie fur diejenigen dienen konnten, die diese Methode anwenden mochten.Es ist uns wohl bewuBt, daB sich der graphentheoretische Ansatz, sol1 er von Nutzen sein, einer klaren und einheitlichen Sprache bedienen muD. Bestimmungen, die Anwender an verschiedenen Orten treffen, mussen auf klar verstandlichen und allgemein anerkannten Regeln beruhen, sie mussen einfach zu treffen und reproduzierbar sein. Ein Weg, diese Situation zu garantieren, ware, allgemein zugangliche Computerprogramme zur Verfugung zu stellen, um die Ermittlung von Graphensatzen zu unterstutzen. Dies ist sicherlich ein Ziel, das wir anstreben,uiid wir arbeiten zur Zeit auch an der Entwicklung von Software, die diesen Anforderungen gerecht wird. In der Zwischenzeit halten wir es jedoch fur wichtig, die Verbreitung von MiBverstandnissen und falschen Vorstellungen iiber die Arbeit mit dieser Methode und ihre Anwendungsmoglichkeiten zu verhindern; ebenso mochten wir die Weitergabe von falsch bestimmten Graphensatzen vermeiden. Dies waren die Grunde fur uns, diese Veroffentlichung zu schreiben. Wir werden zuerst kurz die wesentlichen Merkmale des graphentheoretischen Ansatzes zusammenfassen, dabei aber auf den bereits veroffentlichten, mehr formalen Ansatz verweisen. AnschlieRend folgt eine Reihe von ausgearbeiteten Beispielen fur die Ermittlung von Graphensltzen, wobei wir auch auf einige Schwierigkeiten und Fallstricke sowie deren Vermeidung eingehen mochten. Zum SchluR mochten wir die Nutzlichkeit der graphentheoretischen Analyse bei der Entdeckung der Funktionalitat von H-Brucken-Mustern diskutieren, die die traditionellen Grenzen chemischer Funktionalitat iiberschreiten. Die Definition yon GraphensatzenVielleicht das Bemerkenswerteste am graphentheoretischen Ansatz zur Analyse von H-Brucken-Mustern ist die Tatsache, daR selbst komplizierte molekulare Netzwerke auf Kombinationen aus vier Mustern reduziert werden konnen, die durch Designatoren beschrieben werden: Ketten (C), Ringe (R), Muster von intramolekularen H-Briicken (S) und andere finite Muster (D). Die Spezifikation eines Musters wird erweitert durch die Z...

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The modes of hydrogen bonding of arginine, asparagine, and glutamine side chains and of urea have been examined in small-molecule crystal structures in the Cambridge Structural Database and in crystal structures of proteinnucleic acid and protein-protein complexes. Analysis of the hydrogen bonding patterns of each by graph-set theory shows three patterns of rings (R) with one or two hydrogen bond acceptors and two donors and with eight, nine, or six atoms in the ring, designated R:(8), R$(9), and Rk(6). These three patterns are found for arginine-like groups and for urea, whereas only the first two patterns R:(8) and Ri(9) are found for asparagine-and glutaminelike groups. In each case, the entire system is planar within 0.7 A or less. On the other hand, in macromolecular crystal structures, the hydrogen bonding patterns in protein-nucleic acid complexes between the nucleic acid base and the protein are all R:(9), whereas hydrogen bonding between Watson-Crick-like pairs of nucleic acid bases is R$(8). These two hydrogen bonding arrangements [R:(9) and R: (8)] are predetermined by the nature of the groups available for hydrogen bonding. The third motif identified, Rl(6), involves hydrogen bonds that are less linear than in the other two motifs and is found in proteins.