Войти
A галогенная связь возникает, когда есть свидетельства чистого привлекательного взаимодействия между электрофильной областью, связанной с атом галогена в молекулярном объекте и нуклеофильный участок в другом или том же молекулярном объекте.
Сравнение водородной и галогенной связи:
В обоих случаях A (акцептор связи водород / галоген) - это атом, группа или молекула, которая отдает электроны бедным электронами компонентам HD или XD ( доноры водородной или галогеновой связи соответственно). H - атом водорода, участвующий в образовании водородных связей, а X - атом галогена, участвующий в образовании галогенных связей. Обратите внимание, что донор галогенной связи принимает электроны, а акцептор галогенной связи отдает электроны.
Можно легко провести параллельную взаимосвязь между галогеновыми связями и водородными связями (HB). В обоих типах связи существует взаимосвязь донор электронов / акцептор электронов. Разница между ними заключается в том, какие виды могут действовать как донор электронов / акцептор электронов. В водородной связи атом водорода действует как акцептор электронов и образует нековалентное взаимодействие, принимая электронную плотность от сайта, богатого электронами (донора электронов). При связывании галогена акцептором электронов является атом галогена. Одновременно нормальная ковалентная связь между H или X и D ослабевает, поэтому электронная плотность на H или X, по-видимому, уменьшается. Перенос электронной плотности приводит к проникновению в объемы ван-дер-Ваальса.
Рисунок 2: ХВ в комплексе между монохлоридом йода и триметиламином. Галогены, участвующие в связывании галогенов, включают: йод (I), бром (Br), хлор (Cl) и иногда фтор (F). Все четыре галогена способны действовать как доноры XB (что доказано теоретическими и экспериментальными данными) и следуют общей тенденции: F < Cl < Br < I, with iodine normally forming the strongest interactions.
дигалогены (I 2, Br 2 и т. Д..) имеют тенденцию к образованию прочных галогенных связей. Сила и эффективность хлора и фтора в образовании ХВ зависят от природы донора ХВ. Если галоген связан с электроотрицательным (электроноакцепторным) фрагментом, более вероятно, что он образует более сильные галогенные связи.
Например, йодоперфторалканы хорошо подходят для кристалла XB инженерное дело. Кроме того, именно поэтому F 2 может действовать как сильный донор XB, но фторуглероды являются слабыми донорами XB, потому что алкильная группа, связанная с фтором, является не электроотрицательный. Кроме того, основание Льюиса (акцептор XB) также имеет тенденцию быть электроотрицательным, и анионы являются лучшими акцепторами XB, чем нейтральные молекулы.
Галогенные связи - это сильные, специфические и направленные взаимодействия, которые приводят к возникновению четко определенных структур. Прочность галогенной связи находится в диапазоне 5–180 кДж / моль. Сила XB позволяет ему конкурировать с HB, которые немного слабее по силе. Галогенные связи имеют тенденцию образовываться под углами 180 °, что было показано в исследованиях Odd Hassel с бромом и 1,4-диоксаном в 1954 году. Другой фактор, способствующий прочности галогенных связей, происходит из-за небольшого расстояния между ними. галоген (кислота Льюиса, донор XB) и основание Льюиса (акцептор XB). Привлекательный характер галогенных связей приводит к тому, что расстояние между донором и акцептором меньше суммы ван-дер-ваальсовых радиусов. Взаимодействие ХВ усиливается по мере уменьшения расстояния между галогеном и основанием Льюиса.
В 1814 году Жан-Жак Колен описал образование жидкости с металлическим блеском, когда он смешал сухой газообразный аммиак и сухой йод. Точный состав полученного комплекса I 2 ··· NH 3 был установлен пятьдесят лет спустя Фредериком Гатри. В своем эксперименте он добавил I 2 к водному раствору аммиака. Истинная природа молекулярного взаимодействия, возможно, впервые была понята только полвека назад после новаторских открытий Роберта Малликена о взаимодействиях с переносом заряда и их подробного описания Оддом Хасселем.
В 1950-х годах Роберт С. Малликен разработал детальную теорию электронно-донорно-акцепторных комплексов, классифицируя их как внешние или внутренние комплексы. Внешние комплексы были такими, в которых межмолекулярное взаимодействие между донором и акцептором электронов было слабым и имел очень небольшой перенос заряда. Внутренние комплексы имеют обширное перераспределение заряда. Теория Малликена использовалась для описания механизма, с помощью которого происходит образование XB.
Фиг. 3. Цепи в аддукте 1: 1 1,4-диоксана и брома. В 1954 году Хассель предоставил доказательства первого исследования рентгеновской кристаллографии, проведенного с использованием галогенных связей. Примерно в тот же период времени, когда Малликен разработал свою теорию, начали появляться кристаллографические исследования, выполненные Хасселем, которые стали поворотным моментом в понимании этого. Формирование XB и его характеристики.
Первое исследование рентгеновской кристаллографии группой Хасселя было проведено в 1954 году. В эксперименте его группе удалось показать структуру 1,4-диоксаната брома с помощью дифракции рентгеновских лучей техники. Эксперимент показал, что между атомами кислорода диоксана и атомами брома присутствует короткое межмолекулярное взаимодействие. Расстояние O-Br в кристалле составляет 2,71 Å, что указывает на сильное взаимодействие между атомами брома и кислорода. Кроме того, это расстояние меньше суммы ван-дер-ваальсовых радиусов кислорода и брома (3,35 Å). Угол между связью O-Br и Br-Br составляет около 180 °. Это было первое свидетельство типичных характеристик, обнаруженных при образовании галогенных связей, и привело Хасселя к выводу, что атомы галогена напрямую связаны с донором электронной пары с направлением связи, которое совпадает с осями орбиталей неподеленных пар в доноре электронной пары.
В 1969 году Хассель был удостоен Нобелевской премии по химии за выдающееся открытие того, что галогены могут действовать как электрофильные акцепторы электронов и самособираться в высокоорганизованные кристаллические комплексы с переносом заряда в присутствии электронов. доноры. Ранний обзор донора-акцептора электронов был сделан Бентом в 1968 году. Термин «галогенная связь» не применялся до 1978 года Дюма и его коллегами, которые исследовали комплексы CCl 4, CBr 4, SiCl 4 и SiBr 4 с тетрагидрофураном, тетрагидропираном, пиридином, анизол и ди-н-бутиловый эфир в органических растворителях.
Однако только в середине 1990-х гг. Природа и применение галогеновой связи стали интенсивно изучаться. Систематическая и обширная работа Легона и его коллег, изучавших широкий спектр аддуктов с галогеновыми связями, образующихся в газовой фазе, с помощью микроволновой спектроскопии, привлекла внимание к сходству между галогенными связями и более известными взаимодействиями водородных связей. Вычислительные расчеты Политцера и Мюррея были особенно важны, поскольку они показали, что высокая направленность связи галогена является результатом анизотропного распределения электронной плотности вокруг ядра галогена и проложили путь к определению «σ-дырки». 150>
В настоящее время XB используется для ряда функциональных приложений, например, для инженерии кристаллов, супрамолекулярной химии, науки о полимерах, жидких кристаллов, проводящих материалов и медицинской химии.
Br ··· O галогенные связи, наблюдаемые в кристаллической структуре трехмерных силсесквиоксанов. Кристаллическая инженерия - это развивающаяся область исследований, которая объединяет твердотельную и супрамолекулярную химию. Эта уникальная область является междисциплинарной и объединяет традиционные дисциплины, такие как кристаллография, органическая химия и неорганическая химия. В 1971 году Шмидт впервые основал эту область, опубликовав публикацию о фотодимеризации в твердом состоянии. Более недавнее определение определяет инженерию кристаллов как использование межмолекулярных взаимодействий для кристаллизации и для разработки новых веществ с различными желаемыми физико-химическими свойствами. До открытия галогенной связи подход к инженерии кристаллов включал использование водородных связей, координационной химии и межионных взаимодействий для разработки жидкокристаллических и твердокристаллических материалов. Кроме того, галогеновая связь используется для организации катион-радикальных солей, изготовления молекулярных проводников и создания жидкокристаллических конструкций. С момента открытия галогенной связи существуют новые молекулярные сборки. Из-за уникальной химической природы галогенной связи это межмолекулярное взаимодействие служит дополнительным инструментом для развития инженерии кристаллов.
Первое сообщение об использовании галогенной связи в формировании жидких кристаллов было сделано Х. Лок Нгуеном. Для образования жидких кристаллов использовали алкоксистилбазолы и пентафториодбензол. Предыдущие исследования, проведенные Метранголо и Реснати, продемонстрировали полезность пентафториодбензола для твердотельных структур. Различные алкоксистильбазолы были использованы для нелинейной оптики и металломезогенов. Используя другое открытие Реснати (например, сильно образуются комплексы N-I), группа разработала галогенсвязанные комплексы с йодпентафторбензолом и 4-алкоксистильбазолами. Рентгеновская кристаллография выявила расстояние N-I 2,811 (4) Å и угол соединения 168,4 °. Аналогичные расстояния N − I были измерены в твердых порошках. Обнаруженное расстояние N-I короче суммы радиусов Ван-дер-Ваальса для азота и йода (3,53 Å). Монокристаллическая структура молекул указывает на отсутствие квадрупольных взаимодействий. Комплексы на рисунке 4 оказались жидкокристаллическими.
. Чтобы проверить идею участия поляризуемости в прочности галогеновой связи, в качестве основания Льюиса использовали бромпентафторбензол. Следовательно, не было получено подтверждения образования комплекса галогенной связи. Это открытие обеспечивает дополнительную поддержку зависимости галогенной связи от атомной поляризуемости. Используя аналогичные донорно-акцепторные каркасы, авторы продемонстрировали, что прочность галогенных связей в жидкокристаллическом состоянии сопоставима с водородными связями мезогенов.
Используемые каркасы PIDA, мономера и хозяина. Приложения, использующие свойства конъюгированных полимеров, появились в результате работы, проделанной Heeger, McDiaramid и Shirakawa с открытием того, что полиацетилен является проводящим, хотя и трудным для обработки материалом. С тех пор была проведена работа по имитации основной цепи этого сопряженного полимера (например, поли (п-фениленвинилена)). Сопряженные полимеры имеют множество практических применений и используются в таких устройствах, как фотоэлектрические элементы, органические светодиоды, полевые транзисторы и химические сенсоры. Goroff et al. получали упорядоченный поли (дийоддиацетилен) (PIDA) посредством предварительного расположения мономера (2) с галогенной связью каркаса. PIDA является отличным предшественником других сопряженных полимеров, так как йод легко трансформируется. Например, возможно расщепление C-I электрохимическое восстановление.
Кристаллические структуры мономера (2) представляют собой неупорядоченные материалы различного состава и связности. Хозяева (3–7) были исследованы на предмет их молекулярной упаковки, в первую очередь путем изучения сокристаллов мономера (2) и соответствующего хозяина. И (3), и (4) предварительно организованный мономер (2), но стерическое скопление вокруг йода препятствовало успешной топологической полимеризации мономера. Хосты (5–7) используют водородные связи и связи галогена, чтобы удерживать мономер (2) на оптимальном расстоянии друг от друга для облегчения полимеризации.
Фактически, когда использовался хозяин 7, полимеризация происходила самопроизвольно после выделения сокристаллов. Кристаллические структуры показывают, что все нити полимера параллельны сетке водородных связей, и каждый из основных нитрилов связан галогеном с атомами йода. Половина атомов йода в (1) в кристалле находится в тесном контакте с оксаламидными атомами кислорода. Атомы кислорода хозяина 7 действуют как акцепторы водородных и галогеновых связей.
Выше представлена молекулярная упаковка сокристалла 2 и 6 . Расстояние повторения составляет 5,25 Å при угле склонения 51,3 °. 
Выше представлена кристаллическая структура 1 и 7 . Как показано, кислород оксаламида (пурпурный) образует водородную связь с амидом ниже (синяя пунктирная линия) и образует слабую галогеновую связь с йодом на 1 (пурпурная пунктирная линия). Эта слабая галогенная связь дополнительно стабилизирует этот сокристалл. Галогеновая связь между нитрилом и йодом представлена красной пунктирной линией. 
Пористые комплексы включения 1 и 2.Пористые структуры имеют множество применений. Многие химики и материаловеды работают над улучшением металлоорганических каркасов (MOF) для хранения водорода для использования в автомобилях. Эти высокоорганизованные кристаллические комплексы включения имеют потенциальное применение в катализе и устройствах для разделения молекул. Молекулярная организация часто контролируется с помощью межмолекулярных сил, таких как водородная связь. Однако использование водородной связи часто ограничивает диапазон доступных размеров пор из-за плотной упаковки.
Pigge и др. Использовали галоген-связывающие взаимодействия между аминами, азотом гетероциклами, карбонильными группами и другими органическими галогенидами., чтобы построить их пористые структуры. Это важно, потому что органические кристаллические сети, опосредованные галогеновыми связями, взаимодействие значительно более слабое, чем водородная связь, встречаются редко.
Кристаллические структуры 1 и 2 [ниже] были получены в различных растворителях, таких как дихлорметан, пиридин и бензол. Авторы отмечают, что пористые комплексы включения, по-видимому, частично опосредуются беспрецедентными I-π-взаимодействиями и галогеновой связью между йодом и карбонильными группами. Кристаллическая структура [показанная ниже] объединяется в треугольный массив, а молекулы 2 приблизительно симметричны. Кроме того, все наборы взаимодействий галогенных связей не идентичны, и все межмолекулярные взаимодействия между галогеном и акцептором галогеновой связи немного превышают сумму ван-дер-ваальсова радиуса, что означает немного более слабую связь галогена, что приводит к большей гибкости в структуре. 2D-слои складываются параллельно друг другу, образуя каналы, заполненные растворителем.
2-мерные слои 2 : 3CHCl 3. Галогенные связи показаны красным цветом, молекулы растворителя не показаны. Этот мотив опосредован связями галогена и взаимодействиями галоген-π. Взаимодействия с растворителем также отмечены при образовании гексагональных структур, особенно в пиридине и хлороформе. Первоначально кристаллы, образующие эти растворы, образуют каналированные структуры. Со временем новые игольчатые структуры, не содержащие сольватов, образуют более плотную упаковку, и эти иглы фактически являются термодинамически предпочтительным кристаллом. Авторы надеются использовать эту информацию, чтобы лучше понять дополнительную природу водородных связей и галогенных связей, чтобы разработать предсказывающие структуры малых молекул.
В течение некоторого времени значение связывания галогена с биологической макромолекулярной структурой игнорировалось. Основываясь на монокристаллических структурах из банка данных белков (PDB) (версия от июля 2004 г.), исследование Auffinger и других структур монокристаллов с разрешением 3 Å или лучше, введенных в PDB, показало, что более 100 галогенные связи были обнаружены в шести структурах нуклеиновых кислот на основе галогенированных кислот и в шестидесяти шести комплексах белок-субстрат для взаимодействий галоген-кислород. Хотя и не так часто, как взаимодействия галоген-кислород, контакты галоген-азот и галоген-сера также были идентифицированы. Эти научные открытия обеспечивают уникальную основу для выяснения роли галогенных связей в биологических системах.
На биомолекулярном уровне связывание галогена важно для специфичности субстрата, связывания и молекулярного сворачивания. В случае взаимодействий белок-лиганд наиболее распространенные связи с переносом заряда с поляризуемыми галогенами включают карбонилы основной цепи и / или гидроксильные и карбоксилатные группы аминокислотных остатков. Обычно в ДНК и комплексах белок-лиганд расстояние связи между донорными атомами основания Льюиса (например, O, S, N) и кислотой Льюиса (галоген) меньше суммы их ван-дер-ваальсовых радиусов. В зависимости от структурной и химической среды взаимодействия галогенных связей могут быть слабыми или сильными. В случае некоторых комплексов белок-лиганд галогеновые связи энергетически и геометрически сравнимы с водородными связями, если донорно-акцепторная направленность остается постоянной. Было показано, что это межмолекулярное взаимодействие является стабилизирующим и определяющим конформацию в структурах белок-лиганд и ДНК.
Для молекулярного распознавания и связывания может иметь значение связывание галогена. Примером этого утверждения при разработке лекарств является специфичность субстрата для связывания IDD 594 с альдозоредуктазой человека. Э. Ховард сообщил о наилучшем разрешении для этого мономерного фермента. Эта биологическая макромолекула состоит из 316 остатков и восстанавливает альдозы, кортикостероиды и альдегиды. Считается, что D-сорбит, продукт ферментативного превращения D-глюкозы, вносит свой вклад в последующие эффекты патологии диабета. Следовательно, ингибирование этого фермента имеет терапевтическое значение.
Ингибиторы на основе альдегидов и карбоксилатов эффективны, но токсичны, так как функциональная активность альдегидредуктазы нарушена. Карбоксилатные и альдегидные ингибиторы могут образовывать водородную связь с Trp 111, Tyr 48 и His 110. «Карман специфичности», созданный в результате связывания ингибитора, состоит из Leu 300, Ala 299, Phe 122, Thr 113 и Trp 111. Чтобы ингибиторы были эффективными, ключевые остатки взаимодействия были идентифицированы как Thr 113 и Trp 111. IDD 594 был разработан таким образом, что галоген будет обеспечивать селективность и быть активным. При связывании это соединение вызывает конформационное изменение, которое вызывает образование галогеновой связи между кислородом Thr и бромом ингибитора. Расстояние связи составляет 2,973 (4) Å. Именно эта галогеновая связь O-Br способствует большому действию этого ингибитора для альдозоредуктазы человека, а не альдегидредуктазы.
В кармане специфичности комплекса белок-ингибитор короткая галогеновая связь Br-O способствует к эффективности ингибитора. 