Enlace de halógeno

Comparación entre el puente de hidrógeno y el puente de halógeno.

Puente de Hidrógeno

${\displaystyle {\ce {A\cdots H-D}}}$

Puente de Halógeno

${\displaystyle {\ce {A\cdots X-D}}}$

En ambos casos, la entidad A (aceptor de puente de hidrógeno/halógeno) es el átomo, molécula o grupo que dona electrones a la especie deficiente de densidad electrónica H-D o X-D (donador de puente de hidrógeno/halógeno) y H o X es el átomo de hidrógeno o halógeno involucrado en la interacción. Nótese que el donador de puente de halógeno acepta electrones mientras que el aceptor de puente de halógeno dona electrones.

Una relación paralela puede ser fácilmente dibujada entre el puente de halógeno y el de hidrógeno. En ambos tipos de puente, existe una relación donador de electrones-aceptor de electrones. La diferencia entre ambas interacciones es qué especies pueden actuar como aceptores y donadores. En el puente de hidrógeno, un átomo de hidrógeno actúa como el aceptor de electrones y forma una interacción no covalente al aceptar densidad electrónica de un sitio rico en electrones. En el puente de halógeno, un átomo de halógeno es el aceptor de electrones. De manera simultánea, el enlace covalente normal entre el hidrógeno o el halógeno y el grupo que los sostiene se debilita, por lo que la densidad electrónica en el hidrógeno o el halógeno disminuye. La transferencia de densidades electrónicas da como resultado una penetración de los volúmenes de Van de Waals[3]

Complejo de puente de halógeno entre cloruro de yodo y trimetilamina.

Los halógenos que participan en el enlace de halógeno son: yodo, bromo, cloro y a veces flúor. Los cuatro halógenos son capaces de actuar como donadores de puente de halógeno y siguen la tendencia:

${\displaystyle {\ce {F < Cl < Br < I}}}$

Siendo el yodo el que usualmente forma las interacciones más fuertes.[4]

Los dihalógenos (I₂, Br₂, etc.) tienden a formar enlaces de halógeno fuertes. La fuerza y efectividad del puente en compuestos de cloro y flúor depende de la naturaleza del donador. Si el halógeno está unido a un sustituyente electronegativo (que atrae densidad electrónica), es más probable que forme enlaces de halógeno más fuertes.[5]

Por ejemplo, los yodo-perfluoroalcanos son compuestos diseñados para la ingeniería de cristales que poseen enlaces de halógeno. Además, esta es la razón por la que F₂ actúa como un fuerte donador de puente pero los fluorocarbonos son donadores débiles, es decir, el grupo alquilo conectado al flúor no es electronegativo, por lo que los puentes son poco efectivos. Sumado a esto, la base de Lewis (aceptor de puente) tiende a ser electronegativa también, por lo que los aniones son mejores aceptores de puente que las moléculas neutras.

Los enlaces de halógeno son interacciones fuertes, específicas y direccionales, lo que da origen a estructuras bien definidas. La fuerza de los enlaces varía entre 5 y 180 kJ/mol. Es comparable con los enlaces de halógeno, que son ligeramente más débiles. Los enlaces de halógeno tienden a formarse en ángulos de 180°, como lo señaló Odd Hassel en sus estudios con bromo y 1,4-dioxano en 1954. Otro factor que contribuye a la fuerza del enlace de halógeno proviene de la distancia entre el halógeno y el aceptor. La naturaleza atractiva de los puentes de halógeno da como resultado que la distancia entre donador y aceptor sea más corta que la suma de los radios de Van der Waals. La interacción se vuelve más fuerte conforme la distancia halógeno-receptor disminuye.

En 1814, Jean Jacques Colin describió la formación de un líquido con brillo metálico cuando mezclaba amoniaco gaseoso seco con yodo. La composición precisa del complejo I₂^...NH₃fue establecida hasta 50 años después por Frederick Guthrie.[6] En su experimento, colocó I₂ en amoniaco líquido. La naturaleza de la interacción molecular fue entendida otros cincuenta años después a través de los descubrimientos de Robert Mulliken sobre las interacciones de transferencia de carga y su detallada descripción por Odd Hassel.

En 1950, Robert Mulliken desarrolló una teoría detallada acerca de los complejos donador-aceptor de electrones, clasificándolos como exteriores o interiores.[7][8][9] Los complejos exteriores son aquellos en las que las interacciones intermoleculares entre donador y aceptor de electrones son débiles y tienen poca transferencia de carga. Los complejos interiores tienen una redistribución de carga importante. La teoría de Mulliken ha sido usada para describir los mecanismos por los que la formación de los puentes de halógeno ocurren.

Cadenas en el aducto 1:1 formado entre el 1,4-dioxano y bromo molecular. En 1954, Hassel proveyó evidencia de la existencia del puente de halógeno mediante estudios de cristalografía.

Al mismo tiempo que Mulliken desarrolló su teoría, estudios de cristalografía realizados por Hassel comenzaron a publicarse y se convirtieron rápidamente en un parteaguas en la comprensión de la formación de los puentes de hidrógeno y sus características.

El primer estudio de cristalografía de rayos X de Hassel salió a la luz en 1954. En su experimento, su equipo fue capaz de determinar la estructura del bromuro de 1,4-dioxanato utilizando difracción de rayos X.[10] El experimentó reveló que una interacción intermolecular estaba presente entre los átomos de oxígeno del dioxano y los átomos de bromo. La distancia O-Br medida en el cristal fue de 2.71 Å, lo que indicaba una interacción fuerte entre ambos átomos. Además, la distancia es menor que la suma de los radios de Van der Waals del oxígeno y del bromo (3.35 Å). El ángulo entre los enlaces O-Br y Br-Br fue de alrededor de 180°. Esta fue la primera evidencia de las características comunes de los puentes de halógeno y llevaron a Hassel a concluir que los átomos de halógeno están unidos directamente con un donador de pares electrónicos con una dirección de enlace que coincide con los ejes de los orbitales que ocupan los electrones libres en la molécula donadora.[11]

En 1969, Hassel fue galardonado con el premio Nobel de Química por el descubrimiento de que los halógenos pueden actuar como electrófilos aceptores de electrones y que en presencia de donadores de electrones, se ensamblan en complejos de transferencia de carga con una estructura cristalina altamente direccional.[12] Una revisión acerca de los donadores y aceptores electrónicos fue brindada por Henry Bent en 1968.[13] El uso del término Halogen Bond (enlace de halógeno) no fue implementado hasta 1978 por J.M. Dumas y su equipo quienes investigaron complejos de CCl₄, CBr₄, SiCl₄ y SiBr₄ con THF, tetrahidropirano, piridina, anisol y di-n-butil éter en disolventes orgánicos.[14]

Sin embargo, no fue hasta mediados de la década de 1990 que la naturaleza y aplicaciones del enlace de halógeno se comenzaron a estudiar ampliamente. Legon y colaboradores realizaron un trabajo extensivo y sistemático alrededor de una variedad de aductos de enlaces de halógeno en fase gas mediante espectroscopía de microondas que atrajo la atención a las similitudes entre los puentes de hidrógeno y los puentes de halógeno.[15] Cálculos computacionales realizados por Politzer y Murray fueron de particular importancia pues revelaron que la alta direccionalidad del enlace de halógeno es resultado de una distribución anisotrópica de la densidad electrónica alrededor del núcleo del halógeno[16] y sentaron la definición del "agujero σ".[17]

Actualmente, los puentes de halógeno están siendo usados para una variedad de aplicación que incluyen la ingeniería de cristales, química supramolecular, ciencias de polímeros, cristales líquidos, materiales conductores y química medicinal.[18][19]

• Review de la ACS acerca del enlace de halógeno
• Seminario de Interacciones Intermoleculares UNAM, 2014