卤素键

当有证据表明分子实体中与卤素原子相关的亲电子区域与另一个或相同分子实体中的亲核区域之间存在净吸引相互作用时，就会发生卤素键。与氢键一样，其结果不是正式的化学键，而是强大的静电吸引力。在数学上，相互作用可以分解为两个术语：一个描述静电、轨道混合电荷转移，另一个描述电子云分散。卤素键在超分子化学中得到应用；药物设计和生物化学；晶体工程和液晶；和有机催化。

当卤素原子被静电吸引到部分负电荷上时，会出现卤素键。必然地，原子必须以对映σ键共价键合；与该键相关的电子浓度在另一侧留下一个带正电的空穴。虽然理论上所有的卤素都可以参与卤素键，但如果所讨论的电子云极化不良或卤素的电负性如此之大以至于极化相关的σ键，则σ空穴会收缩。因此，卤素键倾向跟随趋势。F<氯<溴<I。卤素键和扩展的八位字节部分键之间没有明显的区别；表面上是卤素键的东西很可能会成为一个出乎意料的相关共振结构中的全键。

卤素键几乎与卤素原子的另一个常规键共线，但电子电荷供体的几何形状可能要复杂得多。

• 多电子供体如醚和胺更喜欢与孤对和供体核共线的卤素键。
• 吡啶衍生物倾向于提供与环大致共面的卤素键，并且两者CN⋯X{displaystyle{ce{CNcdotsX}}}角度约为120°。
• 羰基、硫代羰基和硒代羰基，在路易斯供体原子周围具有三角平面几何形状，可以接受一个或两个卤素键。

与中性物质相比，阴离子通常是更好的卤素键受体：离子对离解越多，与阴离子形成的卤素键越强。

可以很容易地在卤素键和氢键之间绘制平行关系。两种相互作用都围绕电子供体/电子受体关系，在类卤素原子和电子致密原子之间。但是卤素键比氢键强得多，而且对方向更敏感。典型的氢键的形成能为20kJ/mol；已知的卤素键能范围为10–200kJ/mol。σ-hole概念很容易扩展到pnictogen、硫属元素和aerogen键，分别对应于第15、16和18族的原子。

1814年，让-雅克·科林(Jean-JacquesColin)发现（令他惊讶的是）干燥的气态氨和碘的混合物形成了一种闪亮的、金属外观的液体。五十年后，FrederickGuthrie确定了由此产生的I2···NH3复合物的精确组成，但分子相互作用背后的物理过程仍然是神秘的，直到罗伯特·S·穆利肯的内球和外球相互作用理论的发展。在Mulliken的分类中，与小部分电荷相关的分子间相互作用仅影响原子电子分布的内层；与路易斯加合物相关的电子重新分布反而会影响外球体。然后，在1954年，OddHassel卓有成效地应用这种区别来合理化与1,4-二恶烷和溴的混合物相关的X射线衍射图案。这些模式表明，只有2.71Å将二恶烷氧原子和溴原子分开，比原子范德华半径的总和(3.35Å)更近；并且O-Br和Br-Br键之间的角度约为180°。根据这些事实，Hassel得出结论，卤素原子直接与电子对供体相连，其键方向与电子对供体分子中孤对轨道的轴重合。由于这项工作，哈塞尔获得了1969年的诺贝尔化学奖。Dumas及其同事在1978年首次创造了卤素键这一术语，当时他们研究了CCl4、CBr4、SiCl4和SiBr4与四氢呋喃、四氢吡喃、吡啶、苯甲醚和二正丁基醚在有机溶剂中的配合物。然而，直到1990年代中期，卤素键的性质和应用才开始被深入研究。通过对气相卤素键加合物的系统和广泛的微波光谱分析，Legon及其同事提请注意卤素键和众所周知的氢键相互作用之间的相似性。2007年，Politzer和Murray的计算表明，卤素核周围的各向异性电子密度分布-σ孔-是卤素键的高方向性的基础。然后使用开尔文探针力显微镜实验观察该孔。

卤素键的强度和方向性是晶体工程学科的关键工具，它试图通过密切控制分子间相互作用来塑造晶体结构。卤素键可以稳定共聚物或在其他各向同性液体中诱导介晶现象。事实上，卤键诱导的液晶相在烷氧基芪唑和倍半硅氧烷中都是已知的。或者，卤素键的空间敏感性会导致大分子结晶成多孔结构。在一个值得注意的例子中，碘和芳族π轨道之间的卤素键导致分子结晶成几乎40%空隙的图案。

共轭聚合物为具有可操纵电子能带结构的有机分子提供了诱人的可能性，但目前的生产方法具有不受控制的拓扑结构。Sun、Lauher和Goroff发现某些酰胺可确保聚（二碘二乙炔）的线性聚合。基本机制是酰胺通过氢键自组织，然后通过卤素键转移到二碘二乙炔单体。尽管纯二碘二乙炔晶体不会自发聚合，但卤素键诱导的组织足够强，以至于共晶体会自发聚合。<ulclass="gallery">

• 催化剂-单体共晶。单位每5.25Å重复一次，方向为51.3°。
• 聚合后晶体结构：氧原子（紫色）与聚合物的碘取代基形成氢键（蓝色虚线）和弱卤素键。碘也可以与末端腈形成卤素键（红色虚线）。

大多数生物大分子含有很少或不含卤素原子。但是当分子确实含有卤素时，卤素键对于理解分子构象通常是必不可少的。计算研究表明，已知的卤化核碱基在体外与氧、氮或硫形成卤素键。有趣的是，氧原子通常不会以其孤对电子吸引卤素，而是吸引羰基或酰胺基团中的π电子。卤素键在药物设计中也很重要。例如，抑制剂IDD594通过溴卤键与人醛糖还原酶结合，如图所示。如果类似的醛还原酶取代了酶，或氯取代了药物卤素，则分子不能相互结合，因为不同的几何形状会抑制卤素键。