On the Importance of σ-/π-Hole Interactions in Chemistry and Biochemistry

Resumen

Esta tesis doctoral se enmarca dentro del estudio de las interacciones no covalentes denominadas "no convencionales", también conocidas como interacciones σ-/π-hole. Su estructura está compuesta por un primer capítulo dedicado al análisis del Estado del arte (Capítulo 1) el cual proporciona una visión general de la química supramolecular “no convencional”, seguido de tres capítulos principales (Capítulos 2 a 4), cada uno dedicado al análisis de una interacción en concreto. Estos capítulos son: Interacciones Tetrel bond (2), Interacciones Pnicogen bond (3) y finalmente Interacciones Aerogen bond (4). El Capítulo 1 recoge una introducción detallada con el objetivo de presentar y focalizar el tema principal de esta investigación. Además de analizar los fundamentos físicos que sustentan la naturaleza de las interacciones σ-/π-hole, se exponen varios ejemplos experimentales con el fin de demostrar el vasto potencial de aplicación de dichas fuerzas no covalentes en campos tales como la química supramolecular, el reconocimiento molecular y la química biológica. Los Capítulos 2 a 4 incluyen varios trabajos derivados de nuestra investigación, los cuales poseen una distribución de secciones común para una lectura más cómoda por parte del lector. En primer lugar, una sección de Introducción donde se detallan los antecedentes relativos al tema de estudio, incluyendo resultados de investigaciones anteriores relacionadas con el tema. La segunda parte consta de la Metodología computacional utilizada, seguida de la sección de Resultados y discusión. Por último, se recogen las principales Conclusiones derivadas de nuestra investigación. El Capítulo 2 se divide en cuatro secciones. En primer lugar, el "redescubrimiento" de la interacción tetrel bond, término propuesto por nuestro grupo de investigación para describir la interacción σ-hole establecida entre compuestos que presentan átomos pertenecientes al grupo de los tetrels y bases de Lewis. En segundo lugar, el análisis de la direccionalidad de interacciones tetrel bond donde participan átomos de carbono con hibridación sp3 en compuestos de tipo ArCX3 (X= H y F), utilizando para ello un estudio teórico, a base de cálculos ab initio de alto nivel, y cristalográfico gracias al CSD (Cambridge Structural Database). Finalmente, la última parte de este capítulo se dedica a estudiar el impacto de las interacciones tetrel bond en dos campos diferentes; la Química Atmosférica y la Química Biológica. El Capítulo 3 se divide en cuatro secciones. En primer lugar, el análisis de la direccionalidad de las interacciones π-hole pnicogen bond que implican al átomo de nitrógeno sp2 presente en el grupo -NO2, utilizando la base de datos CSD (Cambridge Structural Database) y cálculos ab initio de alto nivel. En segundo lugar, la evaluación de la capacidad del anión NO3– de comportarse como un ácido de Lewis al encontrarse en un contexto químico apropiado. De esta manera, es posible establecer interacciones antielectrostáticas utilizando el π-hole generado sobre el átomo de nitrógeno. Dicha hipótesis es confirmada mediante el análisis de las bases de datos CSD y PDB (Protein Data Bank). Finalmente, el último trabajo se centra en el estudio de la interacción entre el σ-hole presente en átomos pertenecientes al grupo de los pnicogens con hibridación sp3 y anillos aromáticos, utilizando la base de datos PDB (Protein Data Bank) como soporte experimental de los resultados obtenidos mediante cálculos ab initio. Dichas interacciones son claves en el mecanismo de acción de fármacos relacionados con el tratamiento de la enfermedad Leishmaniasis. El Capítulo 4 se divide en tres secciones. En primer lugar, se analiza y caracteriza la interacción aerogen bonding que implica a compuestos de Xe(VI) y Xe(IV) como nueva fuerza supramolecular en la que participan el σ-hole presente en el átomo de aerogen y bases de Lewis. Además, se describen también interacciones π-hole presentes en compuestos de Xe(IV), concretamente XeF4 y Xe(OTeF5)4. Por último, la tercera sección del capítulo se centra en la capacidad de los compuestos Xe(VI) y Xe(IV) para interactuar con anillos aromáticos, estableciendo así interacciones aerogen-π. Finalmente, el Capítulo 5 reúne las conclusiones principales derivadas de esta tesis.