Halogenová vazba

Říká se, že protiklady se přitahují. I chemik, studující stavbu biomolekul, často použije tuto jednoduchou poučku, týkající se ovšem v jeho případě nabitých atomů. Od základní školy platí, že dva souhlasné náboje se odpuzují, pokud ovšem nejde o zvláštní druh nekovalentní interakce – halogenovou vazbu. Ta totiž ono tvrzení na první pohled zcela popírá.

Halogenová vazba byla objevena relativně nedávno, když chemikové studovali atomární strukturu krystalů halogenovaných sloučenin. Pomocí rentgeno-strukturní analýzy vědci objevili, že halogen vázaný na jednu molekulu v krystalu se nachází velmi blízko kyslíku na vedlejší molekule. Tento motiv se opakoval s periodickou přesností, ale něco zde nehrálo.

Při pohledu do periodické tabulky zjistíme, že halogeny (např. chlor) mají vyšší elektronegativitu než uhlík, což znamená, že halogen bude mít tendenci odtáhnout elektrony z uhlíku blíž k sobě, čímž ovšem získá částečný záporný náboj. Není tajemstvím, že kyslík je taktéž elektronegativnější než uhlík, a proto má částečný záporný náboj podobně jako halogen. Jak je tedy možné, že se v krystalické látce halogen a kyslík vyskytují tak blízko sebe? Naše úvahy nás přece vedou k závěru, že by se tyto záporně nabité atomy měly podle Coulombova zákona odpuzovat.

Právě analýza krystalů dokázala, že tomu tak není a molekuly nejenže se neodpuzují, ony se naopak směle přitahují. Důvodem je tzv. σ-díra. Přesné kvantově-chemické výpočty ukázaly, že halogen sice díky vyšší elektronegativitě elektrony přitáhne, ale zjednodušeně řečeno je nerozmístí symetricky kolem sebe, nýbrž do jakéhosi prstýnku (viz obrázek, spodní část). Kromě prstýnku tak vznikne i místo s kladným nábojem na špičce halogenu a tento kladný náboj si už se záporným nábojem blízkého kyslíku zcela rozumí (viz obrázek, horní část).

Toto vysvětlení přišlo na začátku 21. století, ale přineslo nový pohled i na studie sto let staré. Vždyť první zmínka o nekovalentní vazbě mezi halogenem a elektronegativním atomem se objevila již v roce 1863 v práci jistého Fredericka Guthrie, který studoval komplexy amoniaku s jódem. V druhé polovině 20. století se začaly objevovat krystalické materiály, k jejichž struktuře halogenová vazba významně přispívala. Mimo krystalické materiály byl tento typ nekovalentní interakce objeven i v několika desítkách protein-ligandových komplexů. Například receptor jodovaného hormonu thyroxinu využívá hned několika halogenových vazeb k tomu, aby hormon do svého aktivního místa efektivně navázal. Současná medicinální chemie proto k halogenové vazbě upírá značnou pozornost.

Za povšimnutí stojí několik jejích pozoruhodných vlastností. Především: halogenová vazba je velmi směrová (obdobně jako vodíková vazba) a její síla roste s atomovým číslem příslušného halogenu, tedy v řadě Clobrázek, spodní část). Ne náhodou obsahuje až 40 % v současnosti studovaných léků některý z halogenů a existuje opodstatněná naděje, že účinnost těchto léků lze hrou s σ-dírou ještě zvýšit.

O aktuálnosti tématu halogenové vazby svědčí fakt, že členové asociace IUPAC vedou od roku 2010 jednání o přesné definici této nekovalentní interakce. To, že stále nedospěli k uspokojivému závěru, může naznačovat, že náboje popletly hlavu i jim.