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Enlace de halógeno

En química , un enlace de halógeno ( XB o HaB [ 1 ] ) se produce cuando existe evidencia de una interacción atractiva neta entre una región electrófila asociada a un átomo de ha...

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

Definición

Enlace de halógeno en el complejo entre monocloruro de yodo y trimetilamina .

Los enlaces de halógeno se producen cuando un átomo de halógeno es atraído electrostáticamente por una carga parcial negativa . Necesariamente, el átomo debe estar unido covalentemente en un enlace σ antipodal ; 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 de halógeno, el hueco σ se reduce si la nube electrónica en cuestión se polariza mal o el halógeno es tan electronegativo que polariza el enlace σ asociado. [ 3 ] [ 9 ] En consecuencia, la propensión al enlace de halógeno sigue la tendencia [ 10 ] [ Nota 1 ] F < Cl < Br < I.

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

Características del donante

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

Los aniones suelen ser mejores aceptores de enlaces de halógeno que las especies neutras: cuanto más disociado está un par iónico, más fuerte es el enlace de halógeno que se forma con el anión. [ 17 ]

Comparación con otras fuerzas similares a los enlaces

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

El concepto de agujero σ se extiende fácilmente a los enlaces de pnictógenos, calcógenos y aerógenos, correspondientes a los átomos de los Grupos 15 , 16 y 18 (respectivamente). [ 18 ]

Historia

Las cadenas en el aducto 1:1 de 1,4-dioxano y bromo constituyen la primera evidencia cristalográfica de enlaces de halógeno.

En 1814, Jean-Jacques Colin descubrió (para su sorpresa) que una mezcla de amoníaco gaseoso seco y yodo formaba un líquido brillante de apariencia metálica. Cincuenta años después, Frederick Guthrie estableció la composición precisa del complejo I₂···NH₃ resultante , pero los procesos físicos subyacentes a la interacción molecular permanecieron misteriosos hasta el desarrollo de la teoría de Robert S. Mulliken sobre las interacciones de esfera interna y externa. [ 19 ] En la categorización de Mulliken, las interacciones intermoleculares asociadas con pequeñas cargas parciales afectan solo la "esfera interna" de la distribución electrónica de un átomo; la redistribución electrónica asociada con los aductos de Lewis afecta la "esfera externa" en cambio. [ 20 ]

Luego, en 1954, Odd Hassel aplicó con éxito esta 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 donadores 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 donadora 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 de halógeno" en 1978, durante sus investigaciones sobre complejos de CCl₄ , CBr₄ , SiCl₄ y SiBr₄ con tetrahidrofurano , tetrahidropirano , piridina , anisol y éter di-n-butílico en disolventes orgánicos. [ 23 ]

Sin embargo, no fue hasta mediados de la década de 1990 que la naturaleza y las aplicaciones del enlace de halógeno comenzaron a estudiarse intensivamente. Mediante espectroscopia de microondas sistemática y exhaustiva de aductos de enlace de halógeno en fase gaseosa, Legon y colaboradores destacaron las similitudes entre el enlace de halógeno y las interacciones de enlace de hidrógeno, mejor conocidas. [ 24 ]

En 2007, los cálculos computacionales de Politzer y Murray demostraron que una distribución anisotrópica de la densidad electrónica alrededor del núcleo de halógeno —el "agujero σ" [ 9 ] — subyacía a la alta direccionalidad del enlace de halógeno. [ 25 ] Este agujero fue observado experimentalmente mediante microscopía de fuerza de sonda Kelvin . [ 26 ] [ 27 ]

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

Aplicaciones

Ingeniería de cristales

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

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

Polimerización controlada

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

macromoléculas biológicas

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

La mayoría de las macromoléculas biológicas contienen pocos o ningún átomo de halógeno. Sin embargo, cuando las moléculas contienen halógenos, los enlaces de halógeno suelen ser esenciales para comprender la conformación molecular . Estudios computacionales sugieren que las nucleobases halogenadas conocidas forman enlaces de halógeno con oxígeno , nitrógeno o azufre in vitro . Curiosamente, los átomos de oxígeno generalmente no atraen a los halógenos con sus pares de electrones no enlazantes , sino con los electrones π del grupo carbonilo o amida . [ 6 ]

Los enlaces de halógeno también pueden ser importantes en el diseño de fármacos . Por ejemplo, el inhibidor IDD 594 se une a la aldosa reductasa humana mediante un enlace halógeno-bromo, 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 se reemplaza por cloro , porque las geometrías variantes inhiben el enlace de halógeno. [ 38 ]

Notas

  1. ↑ Aunque a veces se considera al hidrógeno un halógeno , por convención se excluyen los enlaces de hidrógeno de la categoría de enlaces de halógeno. Para un análisis completo, véase §  Comparación con otras fuerzas similares a enlaces .

Referencias

  1. ↑ Varadwaj, Pradeep R.; Varadwaj, Arpita; Marques, Helder M.; Yamashita, Koichi (2024-07-03). "Definición del enlace de halógeno (recomendaciones de la IUPAC 2013): una revisión" . Crystal Growth & Design . 24 (13): 5494– 5525. Bibcode : 2024CrGrD..24.5494V . 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 . 
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Lecturas adicionales

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