stringtranslate.com

Enlace halógeno

En química , un enlace halógeno ( XB o HaB [1] ) ocurre cuando hay evidencia de una interacción atractiva neta entre una región electrofílica asociada con un átomo de halógeno en una entidad molecular y una región nucleófila en otra, o la misma, entidad molecular. [2] Al igual que un enlace de hidrógeno , el resultado no es un enlace químico formal , sino más bien una fuerte atracción electrostática . [3] [4] Matemáticamente, la interacción se puede descomponer en dos términos: uno que describe una transferencia de carga electrostática de mezcla orbital y otro que describe la dispersión de la nube de electrones. Los enlaces halógenos encuentran aplicación en química supramolecular ; [3] [4] [5] diseño de fármacos y bioquímica ; [6] [7] ingeniería de cristales [7] y cristales líquidos ; [3] y catálisis orgánica . [7]

Definición

Enlace halógeno en complejo entre monocloruro de yodo y trimetilamina .

Los enlaces halógenos se producen cuando un átomo de halógeno es atraído electrostáticamente a una carga negativa parcial . Necesariamente, el átomo debe estar unido covalentemente en un enlace σ antípoda ; la concentración de electrones asociada con ese enlace deja un "hueco" cargado positivamente en el otro lado. [8] Aunque todos los halógenos pueden participar teóricamente en enlaces halógenos, el agujero σ se encoge si la nube de electrones en cuestión se polariza mal o el halógeno es tan electronegativo como para polarizar el enlace σ asociado. [3] [9] En consecuencia, la propensión al enlace halógeno sigue la tendencia [10] [Nota 1] F < Cl < Br < I.

No existe una distinción clara entre los enlaces halógenos y los enlaces parciales de octetos expandidos ; lo que superficialmente es un enlace halógeno puede muy bien resultar ser un enlace completo en una estructura de resonancia inesperadamente relevante . [11] [12] [13] [14]

Características del donante

Un enlace halógeno es casi colineal con el otro enlace convencional del átomo de halógeno, pero la geometría del donante de carga electrónica puede ser mucho más compleja.

Los aniones suelen ser mejores aceptores de enlaces halógenos que las especies neutras: cuanto más disociado esté un par de iones, más fuerte será el enlace halógeno formado con el anión. [17]

Comparación con otras fuerzas de tipo enlace

Se puede establecer fácilmente una relación paralela entre el enlace halógeno y el enlace de hidrógeno . Ambas interacciones giran en torno a una relación donante de electrones / aceptor de electrones , entre un átomo similar al halógeno y uno denso en electrones . Pero el enlace halógeno es mucho más fuerte y más sensible a la dirección que el enlace de hidrógeno. Un enlace de hidrógeno típico tiene energía de formación 20 kJ/mol ; las energías de enlace halógeno conocidas varían de 10 a 200 kJ/mol. [16]

El concepto de σ-agujero se extiende fácilmente a los enlaces pnicógeno, calcógeno y aerógeno, correspondientes a átomos de los grupos 15 , 16 y 18 (respectivamente). [18]

Historia

Cadenas en el aducto 1:1 de 1,4-dioxano y bromo, la primera evidencia cristalográfica del enlace halógeno.

En 1814, Jean-Jacques Colin descubrió (para su sorpresa) que una mezcla de amoníaco gaseoso seco y yodo formaba un líquido brillante de aspecto metálico. Frederick Guthrie estableció la composición precisa del complejo I 2 ···NH 3 resultante cincuenta años después, pero los procesos físicos subyacentes a la interacción molecular siguieron siendo un misterio hasta el desarrollo de la teoría de Robert S. Mulliken de interacciones de esfera interna y esfera externa. [19] En la categorización de Mulliken, las interacciones intermoleculares asociadas con pequeñas cargas parciales afectan solo a la "esfera interna" de la distribución electrónica de un átomo; la redistribución electrónica asociada con los aductos de Lewis afecta en cambio a la "esfera externa". [20]

En 1954, Odd Hassel aplicó fructíferamente la distinción para racionalizar los patrones de difracción de rayos X asociados con una mezcla de 1,4-dioxano y bromo. [21] Los patrones sugirieron que solo 2,71 Å separaban los átomos de oxígeno del dioxano y los átomos de bromo, mucho más cerca que la suma (3,35 Å) de los radios de van der Waals de los átomos; y que el ángulo entre el enlace O−Br y Br−Br era de aproximadamente 180°. A partir de estos hechos, Hassel concluyó que los átomos de halógeno están directamente unidos a los donantes de pares de electrones en una dirección con una dirección de enlace que coincide con los ejes de los orbitales de los pares solitarios en la molécula donante de pares de electrones. [8] Por este trabajo, Hassel recibió el Premio Nobel de Química de 1969. [22]

Dumas y sus colaboradores acuñaron por primera vez el término "enlace halógeno" en 1978, durante sus investigaciones sobre complejos de CCl 4 , CBr 4 , SiCl 4 y SiBr 4 con tetrahidrofurano , tetrahidropirano , piridina , anisol y éter di-n-butílico en solventes orgánicos. [23]

Sin embargo, no fue hasta mediados de los años 1990 que la naturaleza y las aplicaciones del enlace halógeno comenzaron a estudiarse en profundidad. Mediante una espectroscopia de microondas sistemática y exhaustiva de aductos de enlaces halógenos en fase gaseosa, Legon y sus colaboradores llamaron la atención sobre las similitudes entre el enlace halógeno y las interacciones de enlace de hidrógeno más conocidas. [24]

En 2007, los cálculos computacionales de Politzer y Murray mostraron que una distribución de densidad electrónica anisotrópica alrededor del núcleo del halógeno —el "agujero σ" [9] — subyacía a la alta direccionalidad del enlace halógeno. [25] Luego, este agujero se observó experimentalmente utilizando un microscopio de fuerza de sonda Kelvin . [26] [27]

En 2020, Kellett et al. demostraron que los enlaces halógenos también tienen un carácter π-covalente similar a los enlaces de coordinación de metales . [28] En agosto de 2023, también se observó experimentalmente el "agujero π" [29] [30]

Aplicaciones

Ingeniería de cristales

Enlaces halógenos Br···O observados en la estructura cristalina 3D de ciertos silsesquioxanos. [31]

La fuerza y ​​direccionalidad de los enlaces halógenos son una herramienta clave en la disciplina de la ingeniería de cristales , que intenta dar forma a las estructuras cristalinas a través del control cercano de las interacciones intermoleculares. [32] Los enlaces halógenos pueden estabilizar copolímeros [33] [34] o inducir mesomorfismo en líquidos que de otro modo serían isotrópicos . [35] De hecho, las fases cristalinas líquidas inducidas por enlaces halógenos se conocen tanto en alcoxiestilbazoles [35] como en silsesquioxanos (en la imagen). [31] Alternativamente, la sensibilidad estérica de los enlaces halógenos puede hacer que las moléculas voluminosas cristalicen en estructuras porosas ; en un caso notable, los enlaces halógenos entre el yodo y los orbitales π aromáticos hicieron que las moléculas cristalizaran en un patrón que estaba casi 40% vacío . [36]

Polimerización controlada

Los polímeros conjugados ofrecen la tentadora posibilidad de moléculas orgánicas con una estructura de banda electrónica manipulable , pero los métodos actuales para la producción tienen una topología no controlada . Sun, Lauher y Goroff descubrieron que ciertas amidas aseguran una polimerización lineal de poli(diyododiacetileno) . El mecanismo subyacente es una autoorganización de las amidas a través de enlaces de hidrógeno que luego se transfieren a los monómeros de diyododiacetileno a través de enlaces halógenos. Aunque los cristales de diyododiacetileno puros no se polimerizan espontáneamente, la organización inducida por el enlace halógeno es lo suficientemente fuerte como para que los cocristales se polimericen espontáneamente. [37]

Macromoléculas biológicas

Unión de IDD 594 a la aldosa reductasa humana : un enlace halógeno Br−O corto contribuye a la potencia del inhibidor. [38]

La mayoría de las macromoléculas biológicas contienen pocos o ningún átomo de halógeno. Pero cuando las moléculas contienen halógenos, los enlaces de halógeno suelen ser esenciales para comprender la conformación molecular . Los estudios computacionales sugieren que las nucleobases halogenadas conocidas forman enlaces de halógeno con oxígeno , nitrógeno o azufre in vitro . Curiosamente, los átomos de oxígeno normalmente no atraen halógenos con sus pares solitarios , sino con los electrones π en el grupo carbonilo o amida . [6]

El enlace halógeno también puede ser importante en el diseño de fármacos . Por ejemplo, el inhibidor IDD 594 se une a la aldosa reductasa humana a través de un enlace bromo-halógeno, como se muestra en la figura. Las moléculas no se unen entre sí si una aldehído reductasa similar reemplaza a la enzima, o si el halógeno del fármaco es reemplazado por cloro , porque las geometrías variantes inhiben el enlace halógeno. [38]

Notas

  1. ^ Aunque a veces se considera al hidrógeno como un halógeno , la convención excluye los enlaces de hidrógeno de la categoría de enlaces halógenos. Para un análisis completo, consulte § Comparación con otras fuerzas de tipo enlace.

Referencias

  1. ^ Varadwaj, Pradeep R.; Varadwaj, Arpita; Marques, Helder M.; Yamashita, Koichi (3 de julio de 2024). "Definición del enlace halógeno (Recomendaciones de la IUPAC 2013): una revisión". Crecimiento y diseño de cristales . 24 (13): 5494–5525. doi :10.1021/acs.cgd.4c00228. ISSN  1528-7483.
  2. ^ Desiraju GR, Ho PS, Kloo L, Legon AC, Marquardt R, Metrangolo P, et al. (2013). "Definición del enlace halógeno (Recomendaciones IUPAC 2013)". Pura aplicación. química . 85 (8): 1711-1713. doi : 10.1351/pac-rec-12-05-10 .
  3. ^ abcd Metrangolo P, Neukirch H, Pilati T, Resnati G (mayo de 2005). "Procesos de reconocimiento basados ​​en enlaces halógenos: un mundo paralelo al enlace de hidrógeno". Accounts of Chemical Research . 38 (5): 386–395. doi :10.1021/ar0400995. PMID  15895976.
  4. ^ ab Gilday LC, Robinson SW, Barendt TA, Langton MJ, Mullaney BR, Beer PD (agosto de 2015). "Enlace halógeno en química supramolecular". Chemical Reviews . 115 (15): 7118–7195. doi :10.1021/cr500674c. PMID  26165273.
  5. ^ Metrangolo P, Resnati G (junio de 2001). "Enlace halógeno: un paradigma en la química supramolecular". Química . 7 (12): 2511–2519. doi :10.1002/1521-3765(20010618)7:12<2511::AID-CHEM25110>3.0.CO;2-T. PMID  11465442.
  6. ^ ab Auffinger P, Hays FA, Westhof E, Ho PS (noviembre de 2004). "Enlaces halógenos en moléculas biológicas". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 101 (48): 16789–16794. Bibcode :2004PNAS..10116789A. doi : 10.1073/pnas.0407607101 . PMC 529416 . PMID  15557000. 
  7. ^ abc Cavallo G, Metrangolo P, Milani R, Pilati T, Priimagi A, Resnati G, Terraneo G (febrero de 2016). "El enlace halógeno". Reseñas químicas . 116 (4): 2478–2601. doi : 10.1021/acs.chemrev.5b00484. PMC 4768247 . PMID  26812185. 
  8. ^ ab Hassel O (octubre de 1970). "Aspectos estructurales de los enlaces interatómicos por transferencia de carga". Science . 170 (3957): 497–502. Bibcode :1970Sci...170..497H. doi :10.1126/science.170.3957.497. PMID  17799698.
  9. ^ ab Clark T, Hennemann M, Murray JS, Politzer P (febrero de 2007). "Enlace halógeno: el agujero sigma. Actas de "Modelado de interacciones en biomoléculas II", Praga, 5-9 de septiembre de 2005". Journal of Molecular Modeling . 13 (2): 291–296. doi :10.1007/s00894-006-0130-2. PMID  16927107. S2CID  93970509.
  10. ^ Politzer P, Lane P, Concha MC, Ma Y, Murray JS (febrero de 2007). "Una visión general del enlace halógeno". Journal of Molecular Modeling . 13 (2): 305–311. doi :10.1007/s00894-006-0154-7. PMID  17013631. S2CID  39255577.
  11. ^ Wolters LP, Bickelhaupt FM (abril de 2012). "Enlace halógeno versus enlace de hidrógeno: una perspectiva orbital molecular". ChemistryOpen . 1 (2): 96–105. doi :10.1002/open.201100015. PMC 3922460 . PMID  24551497. 
  12. ^ Aragoni MC, Arca M, Demartin F, Devillanova FA, Garau A, Isaia F, et al. (julio de 2005). "Cálculos DFT, estudios estructurales y espectroscópicos de los productos formados entre IBr y N,N'-dimetilbenzoimidazol-2(3H)-tiona y -2(3H)-selona". Dalton Transactions (13): 2252–2258. doi :10.1039/B503883A. PMID  15962045.
  13. ^ Eskandari K, Lesani M (marzo de 2015). "¿El flúor participa en la unión de halógenos?". Química . 21 (12): 4739–4746. doi :10.1002/chem.201405054. PMID  25652256.
  14. ^ Turunen L, Hansen JH, Erdélyi M (mayo de 2021). "Enlace halógeno: ¿una química extraña?". Chemical Record . 21 (5): 1252–1257. doi : 10.1002/tcr.202100060 . hdl : 10037/22989 . PMID  33939244. S2CID  233483539.
  15. ^ Aragoni MC, Arca M, Devillanova FA, Hursthouse MB, Huth SL, Isaia F, et al. (15 de abril de 2005). "Reacciones de donantes de piridilo con halógenos e interhalógenos: una investigación de difracción de rayos X y FT-Raman". Revista de química organometálica . III Conferencia Euchem sobre ligandos de nitrógeno en química organometálica y catálisis homogénea. 690 (8): 1923–1934. doi :10.1016/j.jorganchem.2004.11.001. ISSN  0022-328X.
  16. ^ ab Metrangolo P, Meyer F, Pilati T, Resnati G, Terraneo G (4 de agosto de 2008). "Enlace halógeno en química supramolecular". Angewandte Chemie . 47 (33): 6114–6127. doi :10.1002/anie.200800128. PMID  18651626.
  17. ^ Liantonio R, Metrangolo P, Pilati T, Resnati G (1 de mayo de 2003). "Capas fluoradas interpenetradas en una matriz cristalina de tres componentes". Crecimiento y diseño de cristales . 3 (3): 355–361. doi :10.1021/cg0340244. ISSN  1528-7483.
  18. ^ Bauzá A, Frontera A (junio de 2015). "Interacción de enlace aerógeno: ¿una nueva fuerza supramolecular?". Angewandte Chemie . 54 (25): 7340–7343. doi :10.1002/anie.201502571. PMID  25950423.
  19. ^ Guthrie F (1863). "Xxviii.—Sobre el yoduro de yodmonio". J. Chem. Soc . 16 : 239–244. doi :10.1039/js8631600239.
  20. ^
    • Mulliken RS (1950). "Estructuras de complejos formados por moléculas de halógeno con disolventes aromáticos y oxigenados I". J. Am. Chem. Soc . 72 (1): 600. doi :10.1021/ja01157a151.
    • Mulliken RS (1952). "Compuestos moleculares y sus espectros. II". J. Am. Chem. Soc . 74 (3): 811–824. doi :10.1021/ja01123a067.
    • Mulliken RS (1952). "Compuestos moleculares y sus espectros. III. La interacción de los donadores y aceptores de electrones". J. Phys. Chem . 56 (7): 801–822. doi :10.1021/j150499a001.
  21. ^ Hassel O, Hvoslef J (1954). "La estructura del bromo 1,4-dioxanato" (PDF) . Acta Chem. Scand . 8 : 873. doi : 10.3891/acta.chem.scand.08-0873 .
  22. ^ Hassel O (1972). "Aspectos estructurales de los enlaces interatómicos por transferencia de carga". En Nobel Lectures, Chemistry 1963-1970 : 314–329.
  23. ^ Dumas JM, Peurichard H, Gomel M (1978). "Interacciones de bases CX4 como modelos de interacciones de transferencia de carga débil: comparación con interacciones de transferencia de carga fuerte y de enlaces de hidrógeno". J. Chem. Res.(S) . 2 : 54–57.
  24. ^ Legon AC (septiembre de 1999). "Complejos prerreactivos de dihalógenos XY con bases de Lewis B en fase gaseosa: un caso sistemático para el análogo de halógeno B···XY del enlace de hidrógeno B···HX". Angewandte Chemie . 38 (18): 2686–2714. doi :10.1002/(sici)1521-3773(19990917)38:18<2686::aid-anie2686>3.0.co;2-6. PMID  10508357.
  25. ^ Politzer P, Murray JS, Clark T (julio de 2010). "Enlace halógeno: una interacción no covalente altamente direccional impulsada electrostáticamente". Química física Química Física . 12 (28): 7748–7757. Bibcode :2010PCCP...12.7748P. doi :10.1039/c004189k. PMID  20571692.
  26. ^ Mallada B, Gallardo A, Lamanec M, de la Torre B, Špirko V, Hobza P, Jelinek P (noviembre de 2021). "Imágenes en el espacio real de la carga anisotrópica de un agujero σ mediante microscopía de fuerza de sonda Kelvin". Science . 374 (6569): 863–867. Bibcode :2021Sci...374..863M. doi :10.1126/science.abk1479. PMID  34762455. S2CID  244039573.
  27. ^ Instituto de Química Orgánica y Bioquímica de la Academia Checa de Ciencias (IOCB Praga). "Primera observación de una distribución no homogénea de carga electrónica en un átomo". phys.org . Consultado el 7 de septiembre de 2023 .
  28. ^ Kellett CW, Kennepohl P, Berlinguette CP (julio de 2020). "Covalencia π en el enlace halógeno". Nature Communications . 11 (1): 3310. Bibcode :2020NatCo..11.3310K. doi : 10.1038/s41467-020-17122-7 . PMC 7335087 . PMID  32620765. 
  29. ^ Mallada B, Ondráček M, Lamanec M, Gallardo A, Jiménez-Martín A, de la Torre B, et al. (agosto de 2023). "Visualización del agujero π en moléculas mediante microscopía de fuerza con sonda Kelvin". Comunicaciones de la naturaleza . 14 (1): 4954. Código bibliográfico : 2023NatCo..14.4954M. doi :10.1038/s41467-023-40593-3. PMC 10432393 . PMID  37587123. 
  30. ^ Instituto de Química Orgánica y Bioquímica de la CAS. "Los científicos confirman una teoría de hace décadas sobre la distribución no uniforme de la densidad electrónica en moléculas aromáticas". phys.org . Consultado el 7 de septiembre de 2023 .
  31. ^ ab Janeta M, Szafert S (1 de octubre de 2017). "Síntesis, caracterización y propiedades térmicas de amido-POSS tipo T8 con grupo terminal p-halofenilo". Revista de química organometálica . 847 : 173–183. doi :10.1016/j.jorganchem.2017.05.044. ISSN  0022-328X.
  32. ^ Metrangolo P, Resnati G , Pilati T, Terraneo G, Biella S (2009). "Coordinación de aniones y ensamblaje con plantilla de aniones bajo control de enlace halógeno". CrystEngComm . 11 (7): 1187–1196. doi :10.1039/B821300C.
  33. ^ Corradi E, Meille SV, Messina MT, Metrangolo P, Resnati G (mayo de 2000). "Enlace halógeno versus enlace de hidrógeno en los procesos de autoensamblaje. Autoensamblaje de perfluorocarbono-hidrocarburo, parte IX. Este trabajo fue financiado por MURST (Cofinanziamento '99) y EU (COST-D12-0012)". Comunicaciones. Angewandte Chemie . 39 (10). Wiley-VCH: 1782–1786. doi :10.1002/(SICI)1521-3773(20000515)39:10<1782::AID-ANIE1782>3.0.CO;2-5. PMID  10934360.
  34. ^ Amico V, Meille SV, Corradi E, Messina MT, Resnati G (agosto de 1998). "Autoensamblaje de perfluorocarbono-hidrocarburo. Formación de cadena infinita unidimensional impulsada por interacciones nitrógeno·yodo". Revista de la Sociedad Química Americana . 120 (32): 8261–8262. doi :10.1021/ja9810686. ISSN  0002-7863.
  35. ^ ab Nguyen HL, Horton PN, Hursthouse MB, Legon AC, Bruce DW (enero de 2004). "Enlace halógeno: una nueva interacción para la formación de cristales líquidos". Revista de la Sociedad Química Americana . 126 (1): 16–17. doi :10.1021/ja036994l. PMID  14709037.
  36. ^ Pigge FC, Vangala VR, Kapadia PP, Swenson DC, Rath NP (octubre de 2008). "Complejos de inclusión cristalinos hexagonales de trimesoato de 4-yodofenoxi". Chemical Communications . 38 (39): 4726–4728. doi :10.1039/b809592b. PMID  18830473. S2CID  40424594.
  37. ^ Sun A, Lauher JW, Goroff NS (mayo de 2006). "Preparación de poli(diyododiacetileno), un polímero conjugado ordenado de carbono y yodo". Science . 312 (5776): 1030–1034. Bibcode :2006Sci...312.1030S. doi :10.1126/science.1124621. PMID  16709780. S2CID  36045120.
  38. ^ ab Howard EI, Sanishvili R, Cachau RE, Mitschler A, Chevrier B, Barth P, et al. (junio de 2004). "Diseño de fármacos de ultraalta resolución I: detalles de las interacciones en el complejo inhibidor de la aldosa reductasa humana a 0,66 A". Proteins . 55 (4): 792–804. doi : 10.1002/prot.20015 . PMID  15146478. S2CID  38388856. La interacción electrostática entre el átomo de Br del inhibidor y el OG de Thr 113 tiene una distancia inusualmente corta de 2,973(4) Å. El breve contacto entre Br y Thr 113 OG explica la selectividad de IDD 594 hacia AR, ya que en la aldehído reductasa el residuo Thr es reemplazado por Tyr.... La interacción IDD 594-Br/Thr 113-OG también contribuye a la potencia del inhibidor. Otros halógenos, como el cloro, no pueden participar en una interacción similar (debido a su menor polarizabilidad).

Lectura adicional