Галогенные связи возникают, когда атом галогена электростатически притягивается к частично отрицательному заряду . Обязательно, атом должен быть ковалентно связан в антиподальной σ-связи ; концентрация электронов, связанная с этой связью, оставляет положительно заряженную «дырку» на другой стороне. [8] Хотя все галогены теоретически могут участвовать в галогенных связях, σ-дырка сжимается, если рассматриваемое электронное облако плохо поляризуется или галоген настолько электроотрицателен , что поляризует связанную σ-связь. [3] [9] Следовательно, склонность к галогенным связям следует тенденции [10] [Примечание 1] F < Cl < Br < I.
Не существует четкого различия между галогенными связями и расширенными октетными частичными связями ; то, что на первый взгляд является галогенной связью, вполне может оказаться полной связью в неожиданно релевантной резонансной структуре . [11] [12] [13] [14]
Характеристики донора
Галогенная связь почти коллинеарна с другой, обычной связью атома галогена, но геометрия донора электронного заряда может быть гораздо более сложной.
Анионы обычно являются лучшими акцепторами галогенных связей, чем нейтральные частицы: чем более диссоциирована ионная пара, тем прочнее галогенная связь, образованная с анионом. [17]
Сравнение с другими связеподобными силами
Параллельную связь можно легко провести между галогенной связью и водородной связью . Оба взаимодействия вращаются вокруг отношений донора электронов / акцептора электронов , между галогеноподобным атомом и электронно-плотным . Но галогенная связь и намного сильнее, и более чувствительна к направлению, чем водородная связь. Типичная водородная связь имеет энергию образования20 кДж/моль ; известные энергии связей галогена находятся в диапазоне 10–200 кДж/моль. [16]
Концепция σ-дырки легко распространяется на пниктогенные, халькогенные и аэрогенные связи, соответствующие атомам групп 15 , 16 и 18 (соответственно). [18]
История
В 1814 году Жан-Жак Колен обнаружил (к своему удивлению), что смесь сухого газообразного аммиака и йода образует блестящую, металлически выглядящую жидкость. Фредерик Гатри установил точный состав полученного комплекса I 2 ···NH 3 пятьдесят лет спустя, но физические процессы, лежащие в основе молекулярного взаимодействия, оставались загадочными до разработки теории Роберта С. Малликена о внутрисферных и внешнесферных взаимодействиях. [19] В классификации Малликена межмолекулярные взаимодействия, связанные с малыми частичными зарядами, влияют только на «внутреннюю сферу» электронного распределения атома; перераспределение электронов, связанное с аддуктами Льюиса, вместо этого влияет на «внешнюю сферу». [20]
Затем, в 1954 году, Одд Хассель плодотворно применил это различие для рационализации картин дифракции рентгеновских лучей , связанных со смесью 1,4-диоксана и брома. [21] Картин предполагал, что только 2,71 Å разделяют атомы кислорода диоксана и атомы брома, что намного ближе, чем сумма (3,35 Å) радиусов Ван-дер-Ваальса атомов; и что угол между связями O−Br и Br−Br составляет около 180°. Из этих фактов Хассель пришел к выводу, что атомы галогенов напрямую связаны с донорами электронных пар в направлении, с направлением связи, которое совпадает с осями орбиталей неподеленных пар в молекуле донора электронных пар. [8] За эту работу Хассель был удостоен Нобелевской премии по химии 1969 года . [22]
Однако только в середине 1990-х годов природа и применение галогенной связи начали интенсивно изучаться. Благодаря систематической и обширной микроволновой спектроскопии газово-фазных галогенных аддуктов Легон и его коллеги обратили внимание на сходство между галогенными связями и более известными взаимодействиями водородных связей. [24]
В 2007 году вычислительные расчеты Политцера и Мюррея показали, что анизотропное распределение электронной плотности вокруг ядра галогена — «σ-дырка» [9] — лежит в основе высокой направленности связи галогена. [25] Эта дырка затем была экспериментально обнаружена с помощью зондовой силовой микроскопии Кельвина . [26] [27]
В 2020 году Келлетт и др. показали, что галогенные связи также имеют π-ковалентный характер, аналогичный координационным связям металлов . [28] В августе 2023 года «π-дырка» была также экспериментально обнаружена [29] [30]
Приложения
Кристаллическая инженерия
Прочность и направленность галогенных связей являются ключевым инструментом в дисциплине кристаллической инженерии , которая пытается формировать кристаллические структуры посредством тщательного контроля межмолекулярных взаимодействий. [32] Галогенные связи могут стабилизировать сополимеры [33] [34] или вызывать мезоморфизм в других изотропных жидкостях . [35] Действительно, жидкокристаллические фазы, индуцированные галогенными связями, известны как в алкоксистильбазолах [35], так и в силсесквиоксанах (на фото). [31] С другой стороны, стерическая чувствительность галогенных связей может привести к кристаллизации громоздких молекул в пористые структуры ; в одном известном случае галогенные связи между йодом и ароматическими π-орбиталями заставили молекулы кристаллизоваться в структуру, которая была почти на 40% пустой . [36]
Контролируемая полимеризация
Сопряженные полимеры предлагают заманчивую возможность органических молекул с управляемой электронной структурой полосы , но современные методы производства имеют неконтролируемую топологию . Сан, Лаухер и Горофф обнаружили, что определенные амиды обеспечивают линейную полимеризацию поли(дийододиацетилена) . Основной механизм - это самоорганизация амидов через водородные связи, которые затем переходят к мономерам дийододиацетилена через галогенные связи. Хотя чистые кристаллы дийододиацетилена не полимеризуются спонтанно, организация, вызванная галогенными связями, достаточно сильна, чтобы сокристаллы спонтанно полимеризовались. [37]
Сокристалл катализатора-мономера. Единицы повторяются каждые 5,25 Å и ориентированы под углом 51,3˚.
Постполимеризационная кристаллическая структура: атом кислорода (фиолетовый) образует водородную связь (синяя пунктирная линия) и слабую галогенную связь с заместителями йода полимера. Йод также может образовывать галогенную связь с концевыми нитрилами (красная пунктирная линия).
Биологические макромолекулы
Большинство биологических макромолекул содержат мало или совсем не содержат атомов галогенов. Но когда молекулы содержат галогены, галогенные связи часто необходимы для понимания молекулярной конформации . Вычислительные исследования показывают, что известные галогенированные азотистые основания образуют галогенные связи с кислородом , азотом или серой in vitro . Интересно, что атомы кислорода обычно не притягивают галогены своими неподеленными парами , а скорее π- электронами в карбонильной или амидной группе . [6]
Галогенные связи могут быть значимыми и в разработке лекарств . Например, ингибитор IDD 594 связывается с человеческой альдозоредуктазой через связь бром-галоген, как показано на рисунке. Молекулы не связываются друг с другом, если аналогичная альдегидредуктаза заменяет фермент, или хлор заменяет галоген препарата, поскольку различные геометрии ингибируют связь галогена. [38]
^ Десираджу Г.Р., Хо П.С., Клоо Л., Легон AC, Марквардт Р., Метранголо П. и др. (2013). «Определение галогенной связи (Рекомендации ИЮПАК 2013 г.)». Чистое приложение. Хим . 85 (8): 1711–1713. doi : 10.1351/pac-rec-12-05-10 .
^ abcd Metrangolo P, Neukirch H, Pilati T, Resnati G (май 2005 г.). «Процессы распознавания на основе галогенных связей: мир, параллельный водородным связям». Accounts of Chemical Research . 38 (5): 386–395. doi :10.1021/ar0400995. PMID 15895976.
^ ab Gilday LC, Robinson SW, Barendt TA, Langton MJ, Mullaney BR, Beer PD (август 2015 г.). «Галогенные связи в супрамолекулярной химии». Chemical Reviews . 115 (15): 7118–7195. doi :10.1021/cr500674c. PMID 26165273.
^ Metrangolo P, Resnati G (июнь 2001 г.). «Галогенные связи: парадигма в супрамолекулярной химии». Химия . 7 (12): 2511–2519. doi :10.1002/1521-3765(20010618)7:12<2511::AID-CHEM25110>3.0.CO;2-T. PMID 11465442.
^ ab Auffinger P, Hays FA, Westhof E, Ho PS (ноябрь 2004 г.). «Галогенные связи в биологических молекулах». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 101 (48): 16789–16794. Bibcode : 2004PNAS..10116789A . doi : 10.1073/pnas.0407607101 . PMC 529416. PMID 15557000.
^ abc Кавалло Г, Метранголо П, Милани Р, Пилати Т, Приимаги А, Реснати Г, Терранео Г (февраль 2016 г.). «Галогеновая связь». Химические обзоры . 116 (4): 2478–2601. doi : 10.1021/acs.chemrev.5b00484. ПМЦ 4768247 . ПМИД 26812185.
^ ab Hassel O (октябрь 1970). "Структурные аспекты межатомной связи с переносом заряда". Science . 170 (3957): 497–502. Bibcode :1970Sci...170..497H. doi :10.1126/science.170.3957.497. PMID 17799698.
^ ab Clark T, Hennemann M, Murray JS, Politzer P (февраль 2007 г.). "Галогенная связь: сигма-дырка. Труды "Моделирование взаимодействий в биомолекулах II", Прага, 5-9 сентября 2005 г.". Журнал молекулярного моделирования . 13 (2): 291–296. doi :10.1007/s00894-006-0130-2. PMID 16927107. S2CID 93970509.
^ Politzer P, Lane P, Concha MC, Ma Y, Murray JS (февраль 2007 г.). «Обзор галогенных связей». Журнал молекулярного моделирования . 13 (2): 305–311. doi :10.1007/s00894-006-0154-7. PMID 17013631. S2CID 39255577.
^ Wolters LP, Bickelhaupt FM (апрель 2012 г.). «Галогенная связь против водородной связи: перспектива молекулярной орбитали». ChemistryOpen . 1 (2): 96–105. doi :10.1002/open.201100015. PMC 3922460. PMID 24551497 .
^ Aragoni MC, Arca M, Demartin F, Devillanova FA, Garau A, Isaia F и др. (июль 2005 г.). «Расчеты DFT, структурные и спектроскопические исследования продуктов, образованных между IBr и N,N'-диметилбензоимидазол-2(3H)-тионом и -2(3H)-селоном». Dalton Transactions (13): 2252–2258. doi :10.1039/B503883A. PMID 15962045.
^ Эскандари К, Лесани М (март 2015). «Участвует ли фтор в образовании галогенных связей?». Химия . 21 (12): 4739–4746. doi :10.1002/chem.201405054. PMID 25652256.
^ Turunen L, Hansen JH, Erdélyi M (май 2021 г.). «Галогенная связь: странная химия?». Chemical Record . 21 (5): 1252–1257. doi : 10.1002/tcr.202100060 . hdl : 10037/22989 . PMID 33939244. S2CID 233483539.
^ Aragoni MC, Arca M, Devillanova FA, Hursthouse MB, Huth SL, Isaia F и др. (2005-04-15). "Реакции пиридильных доноров с галогенами и интергалогенами: рентгеновская дифракция и исследование FT-Raman". Журнал металлоорганической химии . III Euchem Conference on Nitrogen Ligands in Organometallic Chemistry and Homogeneous Catalysis. 690 (8): 1923–1934. doi :10.1016/j.jorganchem.2004.11.001. ISSN 0022-328X.
^ ab Metrangolo P, Meyer F, Pilati T, Resnati G, Terraneo G (2008-08-04). "Галогенные связи в супрамолекулярной химии". Angewandte Chemie . 47 (33): 6114–6127. doi :10.1002/anie.200800128. PMID 18651626.
^ Лиантонио Р., Метранголо П., Пилати Т., Реснати Г. (2003-05-01). «Фтористые взаимопроникающие слои в трехкомпонентной кристаллической матрице». Crystal Growth & Design . 3 (3): 355–361. doi :10.1021/cg0340244. ISSN 1528-7483.
^ Bauzá A, Frontera A (июнь 2015 г.). «Взаимодействие аэрогенных связей: новая супрамолекулярная сила?». Angewandte Chemie . 54 (25): 7340–7343. doi :10.1002/anie.201502571. PMID 25950423.
^ Гатри Ф. (1863). "Xxviii.—О йодиде йодаммония". J. Chem. Soc . 16 : 239–244. doi :10.1039/js8631600239.
^
Малликен Р.С. (1950). «Структуры комплексов, образованных молекулами галогенов с ароматическими и кислородсодержащими растворителями I». J. Am. Chem. Soc . 72 (1): 600. doi :10.1021/ja01157a151.
Малликен RS (1952). «Молекулярные соединения и их спектры. II». J. Am. Chem. Soc . 74 (3): 811–824. doi :10.1021/ja01123a067.
Малликен RS (1952). «Молекулярные соединения и их спектры. III. Взаимодействие доноров и акцепторов электронов». J. Phys. Chem . 56 (7): 801–822. doi :10.1021/j150499a001.
^ Хассел О (1972). «Структурные аспекты межатомной связи с переносом заряда». В Нобелевских лекциях по химии 1963-1970 : 314–329.
^ Дюма Дж. М., Перичард Х., Гомель М. (1978). «CX4... Взаимодействия оснований как модели слабых взаимодействий с переносом заряда: сравнение с сильными взаимодействиями с переносом заряда и водородными связями». J. Chem. Res.(S) . 2 : 54–57.
^ Legon AC (сентябрь 1999 г.). «Предреакционные комплексы дигалогенов XY с основаниями Льюиса B в газовой фазе: систематический случай галогенового аналога B···XY водородной связи 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.
^ Politzer P, Murray JS, Clark T (июль 2010 г.). «Галогенная связь: высоконаправленное нековалентное взаимодействие под действием электростатики». Physical Chemistry Chemical Physics . 12 (28): 7748–7757. Bibcode :2010PCCP...12.7748P. doi :10.1039/c004189k. PMID 20571692.
^ Mallada B, Gallardo A, Lamanec M, de la Torre B, Špirko V, Hobza P, Jelinek P (ноябрь 2021 г.). «Получение изображений анизотропного заряда σ-дырки в реальном пространстве с помощью зондовой силовой микроскопии Кельвина». Science . 374 (6569): 863–867. Bibcode :2021Sci...374..863M. doi :10.1126/science.abk1479. PMID 34762455. S2CID 244039573.
^ Институт органической химии и биохимии Чешской академии наук (IOCB Prague). "Первое наблюдение неоднородного распределения электронного заряда на атоме". phys.org . Получено 2023-09-07 .
^ Kellett CW, Kennepohl P, Berlinguette CP (июль 2020 г.). "π-ковалентность в галогеновой связи". Nature Communications . 11 (1): 3310. Bibcode : 2020NatCo..11.3310K. doi : 10.1038/s41467-020-17122-7 . PMC 7335087. PMID 32620765 .
^ Маллада Б., Ондрачек М., Ламанек М., Галлардо А., Хименес-Мартин А., де ла Торре Б. и др. (август 2023 г.). «Визуализация π-дырки в молекулах с помощью зондовой силовой микроскопии Кельвина». Природные коммуникации . 14 (1): 4954. Бибкод : 2023NatCo..14.4954M. дои : 10.1038/s41467-023-40593-3. ПМЦ 10432393 . ПМИД 37587123.
^ Институт органической химии и биохимии КАН. «Ученые подтверждают теорию неравномерного распределения электронной плотности в ароматических молекулах, существующую уже несколько десятилетий». phys.org . Получено 07.09.2023 .
^ ab Janeta M, Szafert S (2017-10-01). "Синтез, характеристика и термические свойства амидо-POSS типа T8 с p-галогенфенильной конечной группой". Журнал металлоорганической химии . 847 : 173–183. doi :10.1016/j.jorganchem.2017.05.044. ISSN 0022-328X.
^ Metrangolo P, Resnati G , Pilati T, Terraneo G, Biella S (2009). «Координация анионов и сборка с использованием шаблона анионов под контролем галогенных связей». CrystEngComm . 11 (7): 1187–1196. doi :10.1039/B821300C.
^ Corradi E, Meille SV, Messina MT, Metrangolo P, Resnati G (май 2000 г.). «Halogen Bonding versus Hydrogen Bonding in Driving Self-Assembly Processes Perfluorocarbon-hydrocarbon self-assembly, часть IX. Эта работа была поддержана MURST (Cofinanziamento '99) и EU (COST-D12-0012)». Communications. 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.
^ Amico V, Meille SV, Corradi E, Messina MT, Resnati G (август 1998 г.). «Самосборка перфторуглеродов−углеводородов. Формирование бесконечных цепей 1D, управляемое взаимодействием азота···йода». Журнал Американского химического общества . 120 (32): 8261–8262. doi :10.1021/ja9810686. ISSN 0002-7863.
^ ab Nguyen HL, Horton PN, Hursthouse MB, Legon AC, Bruce DW (январь 2004 г.). «Галогенная связь: новое взаимодействие для образования жидких кристаллов». Журнал Американского химического общества . 126 (1): 16–17. doi :10.1021/ja036994l. PMID 14709037.
^ Sun A, Lauher JW, Goroff NS (май 2006). «Получение поли(дийододиацетилена), упорядоченного сопряженного полимера углерода и йода». Science . 312 (5776): 1030–1034. Bibcode :2006Sci...312.1030S. doi :10.1126/science.1124621. PMID 16709780. S2CID 36045120.
^ ab Howard EI, Sanishvili R, Cachau RE, Mitschler A, Chevrier B, Barth P, et al. (июнь 2004 г.). "Конструирование лекарств сверхвысокого разрешения I: подробности взаимодействий в комплексе ингибитора альдозоредуктазы человека при 0,66 А". Белки . 55 (4): 792–804. doi : 10.1002/prot.20015 . PMID 15146478. S2CID 38388856. Электростатическое взаимодействие между атомом Br ингибитора и OG Thr 113 имеет необычно короткое расстояние 2,973(4) Å. Короткий контакт между Br и Thr 113 OG объясняет селективность IDD 594 по отношению к AR, поскольку в альдегидредуктазе остаток Thr заменяется на Tyr... Взаимодействие IDD 594-Br/Thr 113-OG также способствует эффективности ингибитора. Другие галогены, такие как хлор, не могут участвовать в подобном взаимодействии (из-за его более низкой поляризуемости).
Дальнейшее чтение
Ранний обзор: Бент, HA (1968). «Структурная химия донорно-акцепторных взаимодействий». Chem. Rev. 68 ( 5): 587–648. doi :10.1021/cr60255a003.