Halogenbindung

In der Chemie spricht man von einer Halogenbindung ( XB oder HaB ^{[ 1 ]} ), wenn eine attraktive Wechselwirkung zwischen einem elektrophilen Bereich eines Halogenatoms in einem Molekül und einem nukleophilen Bereich in einem anderen oder demselben Molekül besteht. ^{[ 2 ]} Ähnlich wie bei einer Wasserstoffbrückenbindung entsteht keine formale chemische Bindung , sondern eine starke elektrostatische Anziehung. ^{[ 3 ] [ 4 ]} Mathematisch lässt sich diese Wechselwirkung in zwei Terme zerlegen: einen für den elektrostatischen Ladungstransfer durch Orbitalmischung und einen für die Elektronenwolkendispersion . Halogenbindungen finden Anwendung in der supramolekularen Chemie [ ^{3 ] [ 4 ] [ 5 ]} , im Wirkstoffdesign und in der Biochemie ^{[ 6 ] [ 7 ] ,} im Kristall-Engineering ^{[ 7 ]} und in Flüssigkristallen [ ^{3 ] sowie} in der organischen Katalyse ^{[ 7 ]} .

Halogenbrücken entstehen, wenn ein Halogenatom elektrostatisch von einer negativen Teilladung angezogen wird . Das Atom muss dabei kovalent in einer antipodalen σ-Bindung gebunden sein ; die mit dieser Bindung verbundene Elektronenkonzentration hinterlässt ein positiv geladenes „Loch“ auf der anderen Seite. ^{[ 8 ]} Obwohl theoretisch alle Halogene Halogenbrücken bilden können, verkleinert sich das σ-Loch, wenn die betreffende Elektronenhülle schlecht polarisiert ist oder das Halogen so elektronegativ ist , dass es die zugehörige σ-Bindung polarisiert. ^{[ 3 ] [ 9 ]} Folglich folgt die Neigung zur Bildung von Halogenbrücken der folgenden Reihenfolge ^{[ 10 ] [ Anmerkung 1 ]} F < Cl < Br < I.

Es besteht keine klare Unterscheidung zwischen Halogenbindungen und partiellen Bindungen mit erweiterter Oktettregel ; was oberflächlich betrachtet eine Halogenbindung ist, kann sich in einer unerwartet relevanten Resonanzstruktur durchaus als vollständige Bindung erweisen . ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}

Eine Halogenbindung ist nahezu kollinear mit der anderen, konventionellen Bindung des Halogenatoms, aber die Geometrie des Elektronendonors kann wesentlich komplexer sein.

• Mehrelektronendonatoren wie Ether und Amine bevorzugen Halogenbindungen, die kollinear zum freien Elektronenpaar und zum Donorkern verlaufen.
• Pyridinderivate neigen dazu, Halogenbindungen auszubilden, die annähernd koplanar zum Ring liegen, und die beiden C–N–X-Winkel betragen etwa 120°. ^{[ 15 ]}
• Carbonyl- , Thiocarbonyl- und Selenocarbonylgruppen mit einer trigonal-planaren Geometrie um das Lewis-Donor-Atom können eine oder zwei Halogenbindungen akzeptieren. ^{[ 16 ]}

Anionen sind im Allgemeinen bessere Halogenbrückenakzeptoren als neutrale Spezies: Je stärker ein Ionenpaar dissoziiert ist, desto stärker ist die mit dem Anion gebildete Halogenbrücke. ^{[ 17 ]}

Eine Parallele lässt sich leicht zwischen Halogen- und Wasserstoffbrückenbindungen ziehen . Beide Wechselwirkungen beruhen auf einer Elektronendonator- / Elektronenakzeptor -Beziehung zwischen einem halogenähnlichen Atom und einem elektronenreichen Atom. Halogenbrückenbindungen sind jedoch deutlich stärker und empfindlicher gegenüber der Bindungsrichtung als Wasserstoffbrückenbindungen. Eine typische Wasserstoffbrückenbindung besitzt eine Bildungsenergie von …20 kJ/mol ; bekannte Halogenbindungsenergien liegen im Bereich von 10–200 kJ/mol. ^{[ 16 ]}

Das σ-Loch-Konzept lässt sich ohne Weiteres auf Pniktogen-, Chalkogen- und Aerogenbindungen übertragen, die Atomen der Gruppen 15 , 16 bzw. 18 entsprechen . ^{[ 18 ]}

1814 entdeckte Jean-Jacques Colin (zu seiner Überraschung), dass ein Gemisch aus trockenem gasförmigem Ammoniak und Iod eine glänzende, metallisch wirkende Flüssigkeit bildete. Frederick Guthrie bestimmte fünfzig Jahre später die genaue Zusammensetzung des resultierenden I₂···NH₃-Komplexes, doch die physikalischen Prozesse, die der molekularen Wechselwirkung zugrunde liegen, blieben bis zur Entwicklung von Robert S. Mullikens Theorie der inneren und äußeren Sphärenwechselwirkungen rätselhaft _. [ ₁₉ ] Nach ^{Mullikens Kategorisierung beeinflussen} die intermolekularen Wechselwirkungen, die mit kleinen Partialladungen verbunden sind, nur die „innere Sphäre“ der Elektronenverteilung eines Atoms; die mit Lewis-Addukten verbundene Elektronenumverteilung betrifft hingegen die „äußere Sphäre“. ^{[ 20 ]}

1954 wandte Odd Hassel diese Unterscheidung erfolgreich an, um die Röntgenbeugungsmuster einer Mischung aus 1,4-Dioxan und Brom zu erklären. ^{[ 21 ]} Die Muster legten nahe, dass die Sauerstoff- und Bromatome des Dioxans nur 2,71 Å voneinander entfernt waren , deutlich weniger als die Summe (3,35 Å) ihrer Van-der-Waals-Radien; außerdem betrug der Winkel zwischen der O−Br- und der Br−Br-Bindung etwa 180°. Aus diesen Erkenntnissen schloss Hassel, dass Halogenatome direkt an Elektronenpaardonatoren gebunden sind, und zwar in einer Richtung, die mit den Achsen der Orbitale der freien Elektronenpaare im Elektronenpaardonatormolekül übereinstimmt. ^{[ 8 ]} Für diese Arbeit wurde Hassel 1969 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet . ^{[ 22 ]}

Dumas und Mitarbeiter prägten den Begriff „Halogenbindung“ erstmals 1978 im Rahmen ihrer Untersuchungen an Komplexen von CCl₄ _, CBr₄ _, SiCl₄ _und SiBr₄ _mit Tetrahydrofuran , Tetrahydropyran , Pyridin , Anisol und Di -n-butylether in organischen Lösungsmitteln. ^{[ 23 ]}

Allerdings wurden die Natur und die Anwendungen der Halogenbindung erst Mitte der 1990er Jahre intensiv erforscht. Durch systematische und umfassende Mikrowellenspektroskopie von Halogenbindungsaddukten in der Gasphase lenkten Legon und Mitarbeiter die Aufmerksamkeit auf die Ähnlichkeiten zwischen Halogenbindungen und den bekannteren Wasserstoffbrückenbindungen. ^{[ 24 ]}

Im Jahr 2007 zeigten computergestützte Berechnungen von Politzer und Murray, dass eine anisotrope Elektronendichteverteilung um den Halogenkern – das „σ-Loch“ ^{[ 9 ]} – der hohen Direktionalität der Halogenbindung zugrunde liegt. ^{[ 25 ]} Dieses Loch wurde anschließend experimentell mittels Kelvin-Sonden-Kraftmikroskopie beobachtet . ^{[ 26 ] [ 27 ]}

Im Jahr 2020 zeigten Kellett et al. , dass Halogenbindungen ebenfalls einen π-kovalenten Charakter aufweisen, ähnlich wie Metallkoordinationsbindungen . ^{[ 28 ]} Im August 2023 wurde das „π-Loch“ auch experimentell beobachtet. ^{[ 29 ] [ 30 ]}

Die Stärke und Richtung von Halogenbindungen sind ein wichtiges Werkzeug im Bereich des Kristall-Engineerings , das versucht, Kristallstrukturen durch präzise Kontrolle intermolekularer Wechselwirkungen zu formen. ^{[ 32 ]} Halogenbindungen können Copolymere stabilisieren ^{[ 33 ] [ 34 ]} oder Mesomorphismus in ansonsten isotropen Flüssigkeiten induzieren . ^{[ 35 ]} Tatsächlich sind halogenbindungsinduzierte flüssigkristalline Phasen sowohl in Alkoxystilbazolen ^{[ 35 ]} als auch in Silsesquioxanen (siehe Abbildung) bekannt. ^{[ 31 ]} Alternativ kann die sterische Empfindlichkeit von Halogenbindungen dazu führen, dass sperrige Moleküle in poröse Strukturen kristallisieren ; in einem bemerkenswerten Fall führten Halogenbindungen zwischen Iod und aromatischen π-Orbitalen zur Kristallisation von Molekülen in einem Muster mit fast 40 % Hohlraumanteil . ^{[ 36 ]}

Konjugierte Polymere bieten die verlockende Möglichkeit, organische Moleküle mit einer gezielt einstellbaren elektronischen Bandstruktur herzustellen , doch die derzeitigen Herstellungsverfahren weisen eine unkontrollierte Topologie auf . Sun, Lauher und Goroff entdeckten, dass bestimmte Amide eine lineare Polymerisation von Poly(diioddiacetylen) gewährleisten . Der zugrundeliegende Mechanismus ist eine Selbstorganisation der Amide über Wasserstoffbrückenbindungen, die sich anschließend über Halogenbrückenbindungen auf die Diioddiacetylen-Monomere überträgt. Obwohl reine Diioddiacetylen-Kristalle nicht spontan polymerisieren , ist die durch Halogenbrücken induzierte Organisation so stark, dass die Kokristalle spontan polymerisieren. ^{[ 37 ]}

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  Der Katalysator-Monomer-Kokristall. Die Einheiten wiederholen sich alle 5,25 Å und sind um 51,3° orientiert.
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  Kristallstruktur nach der Polymerisation: Das Sauerstoffatom (violett) bildet eine Wasserstoffbrücke (blaue gestrichelte Linie) und eine schwache Halogenbrücke mit den Iodsubstituenten des Polymers. Iod kann außerdem eine Halogenbrücke mit den terminalen Nitrilen ausbilden (rote gestrichelte Linie).

Die meisten biologischen Makromoleküle enthalten wenige oder gar keine Halogenatome. Sind jedoch Halogene vorhanden, spielen Halogenbrückenbindungen oft eine entscheidende Rolle für das Verständnis der Molekülkonformation . Computergestützte Studien legen nahe, dass bekannte halogenierte Nukleobasen in vitro Halogenbrückenbindungen mit Sauerstoff , Stickstoff oder Schwefel ausbilden . Interessanterweise ziehen Sauerstoffatome Halogene typischerweise nicht mit ihren freien Elektronenpaaren an , sondern mit den π- Elektronen der Carbonyl- oder Amidgruppe . ^{[ 6 ]}

Halogenbindungen spielen auch im Wirkstoffdesign eine wichtige Rolle . Beispielsweise bindet der Inhibitor IDD 594 über eine Brom-Halogenbindung an die humane Aldosereduktase , wie in der Abbildung dargestellt. Die Moleküle binden nicht aneinander, wenn das Enzym durch eine ähnliche Aldehydreduktase ersetzt oder das Halogenatom des Wirkstoffs durch Chlor ersetzt wird, da die veränderten Geometrien die Halogenbindung verhindern. ^{[ 38 ]}

• Eine frühe Übersichtsarbeit: Bent, HA (1968). „Strukturelle Chemie der Donor-Akzeptor-Wechselwirkungen“. Chem. Rev. 68 ( 5): 587–648 . doi : 10.1021/cr60255a003 .