Enlace de Halogeno

M. en C. Isela Ruiz

Seminario de Interacciones IntermolecularesPrograma de Doctorado en Ciencias Quımicas

Universidad Nacional Autonoma de Mexico

28 de octubre de 2014

1. Introduccion

2. Enlace de halogeno

3. Potencial electrostatico

4. Agujero σ

5. Direccionalidad

6. Atraccion en el enlace de halogeno

7. Metodos computacionales

8. Enlace de Halogeno en complejos Proteına-Ligante

9. Enlace de Halogeno en redes cristalinas

10. Enlace de Halogeno y enlace de Hidrogeno

Introduccion

Interaccion no covalente, analogo al enlace de hidrogeno.

El enlace de halogeno como interaccion favorable entre dosentidades que tıpicamente se han visto como negativas.

Fenomeno importante en muchas areas de la quımica, bio-quımica, y ciencia de materiales.

Enlace de halogeno

Enlace de halogeno

Enlace de halogeno

Altamente direccional.

La naturaleza del halogeno y su ambiente quımico afectafuertemente al enlace.

Facilitado por la interaccion electrostatica entre el agujero σy los atomos electronegativos.

1Politzer P. Phys. Chem. Chem. Phys. 2010, 12(1):7748-7757.

2Riley K. E.; Hobza P. Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15(1):17742-17751.

3Politzer P. et al J. Mol. Model. 2007, 13(2):305-311

Potencial electrostatico

V (r) =∑A

ZA|RA − r|

−∫ρ(r′)dr′

|r′ − r|

VS,max

VS,min

Potencial electrostatico

4Brinck T. et al Int. J. Quant. Chem. 1992, 44(19):57-64

Potencial electrostatico

Potencial calculado (B3PW91/6-31G(d,p)) en la superficie molecular 0.001 au. Azul,lila=VS,min, verde, amarillo y rojo=VS,max que se incrementa en ese orden.

3Politzer P. et al J. Mol. Model., 2007, 13(2):305-311

Agujero σ

La distribucion de carga es anisotropica.

La carga total sobre el halogeno es casi siempre negativa (altaelectronegatividad), con solo una pequena region de densidadelectronica disminuida denominada agujero σ (σ-hole).

Potencial electrostatico del tetraiodobencimidazol. Azul, lila=VS,min, verde, amarillo yrojo=VS,max que se incrementa en ese orden.

2Riley K. E.; Hobza P. Phys. Chem. Chem. Phys., 2013, 15(1):17742-17751.

Agujero σ

En muchos casos la densidad en el agujero σ esta lo suficiente-mente disminuida como para presentar una region de potencialelectrostatico positivo.

El agujero σ sera mayor y mas positivo a medida que la elec-tronegatividad el grupo unido al halogeno (-R) se incrementey que la electronegatividad y la polarizabilidad del halogenodisminuya (I>>F).

Agujero σ

1Politzer P. Phys. Chem. Chem. Phys., 2010, 12(1):7748-7757.

Direccionalidad

La anisotropıa de la distribucion de carga permite dos diferen-tes formas de enlace en el mismo atomo de halogeno:

I vıa un agujero σ positivo (i.e. actuando como un donador deenlace de halogeno),

I vıa el cinturon de carga negativa que rodea al agujero σ (e.g.el halogeno como aceptor de enlace de H).

1Politzer P. Phys. Chem. Chem. Phys., 2010, 12(1):7748-7757.

¿De donde viene la atraccion en el enlace de halogeno?

Interaccion electrostatica.

Energıa de dispersion.

Descomposicion de la energıaSAPT (DFT-SAPT), hasta ∼35 atomos

Eint = Eelec + Eind + Edisp + Eex + δHF (1)

2Riley K. E.; Hobza P. Phys. Chem. Chem. Phys., 2013, 15(1):17742-17751.

¿De donde viene la atraccion en el enlace de halogeno?

Descomposicion de la energıa total de interaccionDFT-SAPT/aug-cc-pVTZ de complejos con enlaces de halogeno oenlaces de dihalogeno. Como comparacion se muestran las energıas

de complejos con enlaces de hidrogeno.

2Riley K. E.; Hobza P. Phys. Chem. Chem. Phys., 2013, 15(1):17742-17751.

Metodos computacionales

5Rezac J. et al J. Chem. Theory Comput. 2012, 8(11):4285-4292.

Metodos computacionales

Entender el papel que juegan la energıa electrostatica y dedispersion en las interacciones no covalentes mediante la com-paracion de la energıa de interaccion HF con la de un metodocorrelacionado, como MP2 o CCSD(T).

Enlace de Halogeno en complejos Proteına−Ligante

Strength and Character of Halogen Bonds in Protein LigandComplexes

6Riley K. E.; Hobza P. Cryst. Growth Des. 2011, 11:4272-4278.

Enlace de Halogeno en complejos Proteına−Ligante

Complejos modelo

Enlace de Halogeno en complejos Proteına−Ligante

Calibracion

Enlace de Halogeno en complejos Proteına−Ligante

Calculos MP2/aug-cc-pVDZ y HF/aug-cc-pVDZ (aug-cc-pVDZ-PP para Br e I). Todas las energıas de enlace se calcularonusando correcciones conterpoise para tomar en cuenta el BS-SE.

Proporciones de (∆E(HF)/∆E(MP2)) son utilizadas para es-timar las contribuciones relativas de las fuerzas electrostaticasy de dispersion.

Enlace de Halogeno en complejos Proteına−Ligante

Eelec/Edisp =1.17[∆E (HF)/∆E (MP2)]+1,01

Enlace de Halogeno en complejos Proteına−Ligante

Ligante 2OXY. Potencial electrostatico (B3LYP/6-31+G*)

Enlace de Halogeno en redes cristalinas

C−halogen· · ·π interactions and their influence on molecularconformation and crystal packing: a database study

Evaluacion estadıstica del rol de las interacciones C−X···π (X=F, Cl, Br, I) en el controldel empaquetamiento cristalino y la orientacion de estructuras organicas cristalinas.Analisis de las bases de datos CSD de estructuras cristalinas de complejos de haloben-cenos.

7Prasanna M. D.; Guru Row T. N. Crystal Eng. 2000, 3:135-154.

Enlace de Halogeno en redes cristalinas

a Solo estructuras no distorsionadas, sin errores con un R<0.10b Numero de entradas con al menos un enlace C−X· · ·πc Numero de distancias C−X· · ·π cortasd Distancia C−X promedio

Enlace de Halogeno en redes cristalinas

Valores de la distancia del enlace de halogeno (Dmax).

Enlace de Halogeno en redes cristalinas

Histograma de las interacciones intramoleculares C−F· · ·π

Enlace de Halogeno en redes cristalinas

Histograma de las interacciones intramoleculares C−Cl· · ·π

Enlace de Halogeno en redes cristalinas

Histograma de las interacciones intermoleculares C−F· · ·π

Enlace de Halogeno en redes cristalinas

Caracterısticas conformacionales

Enlace de Halogeno en redes cristalinas

Influencia en el empaquetamiento cristalino

Enlace de halogeno y enlace de hidrogeno

Sandfordy et al.: estudios de espectros de infrarrojo de solucionesde varias bases organicas, encontraron que la banda del enlace dehidrogeno disminuıa considerablemente si se introducıa un co-solutocapaz de formar un enlace de halogeno.“. . . fluorocarbonos que contienen halogenos de alto peso molecularpueden romper enlaces de hidrogeno, probablemente debido a laformacion de complejos competitivos donador−aceptor.”Capacidadpara romper el enlace de hidrogeno: F<Cl<Br<I.

Simposium (Ago/2009) dentro de la Reunion de la ACS “HalogenBonding: A World Parallel to Hydrogen Bonding”

8Di Paolo T.; Sanfordy C. Can. J. Chem. 1974, 52(21):3612-3622.