Exploring Intermolecular and Intramolecular Interactions: A Review beyond Hydrogen Bonds

Authors

DOI:

https://doi.org/10.29356/jmcs.v68i4.2306

Keywords:

Hydrogen bonds, Electron density, QTAIM, Non-covalent interactions

Abstract

 Intermolecular interactions have great relevance in the stability of chemical systems. The most studied non-covalent interactions are hydrogen bonds, but they are not the only ones. Dihydrogen bonds or hydrogen - hydrogen contacts, as well as those that occur between heteroatoms, have also shown to play an important role in the molecular structure of biomolecules, solids, surfaces and other chemical systems. In this article we summarize the main contributions of our group to the study of these intermolecular interactions.

Among the most important results generated in our group is the estimation of the interaction energy of the unconventional hydrogen bond C-H•••O, which showed its relevance in various systems. In addition, software programmed on graphic processing units was created in our group to analyze electron density using the Quantum Theory of Atoms in Molecules (QTAIM). This code has allowed us to study non-covalent interactions in large systems.

 

Resumen. Las interacciones intermoleculares tienen una gran relevancia en la estabilidad de sistemas químicos. Las más estudiadas son los puentes de hidrógeno, pero no han sido las únicas. Los enlaces dihidrógeno o los contactos hidrógeno-hidrógeno, así como las interacciones que ocurren entre heteroátomos, también han mostrado un papel importante en la estructura molecular de biomoléculas, sólidos, superficies y otros sistemas químicos. En este artículo resumimos las principales contribuciones de nuestro grupo hacia el estudio de estas interacciones intermoleculares.

Entre los resultados más importantes generados por nuestro grupo es la estimación de la energía de interacción de puentes de hidrógeno no convencionales C-H•••O, los cuales han mostrado su relevancia en varios sistemas. Además, el código computacional programado sobre tarjetas gráficas creado en nuestro grupo permite analizar la densidad electrónica usando la teoría cuántica de átomos en moléculas (QTAIM). Este código computacional nos ha permitido estudiar interacciones no covalentes en sistemas de gran tamaño.

Downloads

Download data is not yet available.

Author Biographies

Rubicelia Vargas, Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa

Departamento de Química, División de Ciencias Básicas e Ingeniería

Jorge Garza, Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa

Departamento de Química, División de Ciencias Básicas e Ingeniería

Ana Martínez, Universidad Nacional Autónoma de México

Departamento de Materiales de Baja Dimensionalidad. Instituto de Investigaciones en Materiales

References

Jeffrey, G.A.; Saenger, W. Hydrogen bonding in Biological Structures. Springer- Verlag, 1991. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-85135-3

IUPAC Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed., Royal Society of Chemistry, Cambridge, 1997. The online version (http://old.iupac.org/publications/compendium/) mostly corresponds to the second edition, compiled by A. D. McNaught and A. Wilkinson of the Royal Society of Chemistry. The definition of the term hydrogen bond is given at https://goldbook.iupac.org/terms/view/H02899.

Gautam, R. D. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 52 – 59. DOI: /https://doi.org/10.1002/anie.201002960. DOI: https://doi.org/10.1002/anie.201190108

Richardson, T. B.; Koetzle, T. F.; Crabtree, R. H. Inorganica Chim. Acta 1996, 250, 69–73. DOI: https://doi.org/10.1016/S0020-1693(96)05212-7. DOI: https://doi.org/10.1016/S0020-1693(96)05212-7

Klooster, W. T.; Koetzle, T. F.; Siegbahn, P. E.; Richardson, T. B.; Crabtree, R. H. J. Am. Chem. Soc. 1999, 7, 6337–6343. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.5b00927. DOI: https://doi.org/10.1021/ja9825332

Novoa, J. J.; Whangbo, M. H.; Williams, J. M. J. Chem. Phys. 1991, 94, 4835–4841.DOI: https://doi.org/10.1063/1.460568. DOI: https://doi.org/10.1063/1.460568

Matta, C. F.; Hernández-Trujillo, J.; Tang, T. H.; Bader, R. F. Chem. - Eur. J. 2003, 9,1940–1951. DOI: https://doi.org/10.1002/chem.200204626. DOI: https://doi.org/10.1002/chem.200204626

Alkorta, I.; Elguero, J.; Frontera, A. Crystals, 2020, 10,180-208. DOI: https://doi.org/10.3390/cryst10030180. DOI: https://doi.org/10.3390/cryst10030180

Jeffrey, G.A. An introduction to Hydrogen Bonding. Oxford University Press, 1997.

Vargas, R.; Garza, J.; Dixon, D. A.; Hay, B.P. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 4750- 4755. DOI: https://doi.org/10.1021/ja993600a DOI: https://doi.org/10.1021/ja993600a

Ramírez, J.-Z; Vargas, R.; Garza, J. J. Mex. Chem. Soc. 2008, 52, 31-35.

Jansen, H. B.; Ross, P. Chem. Phys. Lett. 1969, 3, 140-143. DOI: https://doi.org/10.1016/0009-2614(69)80118-1. DOI: https://doi.org/10.1016/0009-2614(69)80118-1

Boys, S. B.; Bernardi, F. Mol. Phys. 1970, 19, 533. DOI: https://doi.org/10.1080/00268977000101561. DOI: https://doi.org/10.1080/00268977000101561

(a) Mayer, I.; Surjan, P. R. Chem. Phys. Lett. 1992, 191, 497-499. DOI: https://doi.org/10.1016/0009-2614(92)85415-7. (b) Simon, S.; Duran, M.; Dannenberg, J. J. J. Chem. Phys. 1996, 105, 11024-11031. DOI: https://doi.org/10.1063/1.472902. (c) Salvador, P.; Paizs, B.; Duran, M.; Suhai, S. J. Comput. Chem. 2001, 22, 765-786. DOI: https://doi.org/10.1002/jcc.1042.

Garza, J.; Ramírez, Z.; Vargas, R. J. Phys. Chem. A, 2005, 109, 643-651. DOI: https://doi.org/10.1021/jp046492+. DOI: https://doi.org/10.1021/jp046492+

Bader, R. F. W. Acc. Chem. Res. 1985, 18, 9-15. DOI: https://doi.org/10.1021/ar00109a003. DOI: https://doi.org/10.1021/ar00109a003

Kohout, M.; Savin, A. Int. J. QuantumChem. 1996, 60, 875-882. DOI: https://doi.org/10.1002/(SICI)1097-461X(1996)60:4<875::AID-QUA10>3.0.CO;2-4. DOI: https://doi.org/10.1002/(SICI)1097-461X(1996)60:4<875::AID-QUA10>3.0.CO;2-4

Navarrete-López, A. M.; Garza, J.; Vargas, R. J. Phys. Chem. A 2007, 111, 11147- 11152. DOI: https://doi.org/10.29356/jmcs.v52i1.1043. DOI: https://doi.org/10.1021/jp074592k

Hernández-Esparza, R.; Mejía-Chica, S.-M.; Zapata-Escobar, A. D.; Guevara-García, A.; Martínez-Melchor, A.; Hernández-Pérez, J.-M.; Vargas, R; Garza, J. J. Comput. Chem. 2014, 35, 2272-2278. DOI: https://doi.org/10.1002/jcc.23752. DOI: https://doi.org/10.1002/jcc.23752

Hernández-Esparza, R.; Vázquez-Mayagoitia, A.; Soriano-Agueda, L. A.; Vargas, R.; Garza, J. Int. J. Quantum Chem. 2018, 119, e25671. DOI: https://doi.org/10.1002/qua.25671. DOI: https://doi.org/10.1002/qua.25671

Cruz, J. C.; Hernández-Esparza, R.; Vázquez-Mayagoitia, A.; Vargas, R. Garza, J. J. Chem. Inf. Model. 2019, 59, 3120-3127. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jcim.8b00951. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jcim.8b00951

Cruz, J. C.; García-Gutierrez, P.; Zubillaga, R. A.; Vargas, R.; Garza, J. in: Frontiers in Computational Chemistry. Vol. 5, Ul-Haq, Z.; Wilson, A. K. Ed., Bentham Science Publishers, 2020, 149-173. DOI: https://doi.org/10.2174/9789811457791120050006. DOI: https://doi.org/10.2174/9789811457791120050006

García-Gutiérrez, P.; Zubillaga, R. A.; Ibarra, I. A.; Martínez, A.; Vargas,R.; Garza, J. C.S.B.J. 2021, 19, 4669–4675. DOI: https://doi.org/10.1016/j.csbj.2021.08.015. DOI: https://doi.org/10.1016/j.csbj.2021.08.015

Martínez, A.; García-Gutiérrez, P.; Zubillaga, R. A.; Garza, J.; Vargas, R. Phys. Chem. Chem. Phys. 2021, 23, 14224-14230. DOI: https://doi.org/10.1039/D1CP01637 . DOI: https://doi.org/10.1039/D1CP01637G

Padilla‑Bernal, G.; Vargas, R.; Martínez, A. Theor. Chem. Acc. 2023, 142:65. DOI: https://doi.org/10.1007/s00214-023-03016-6. DOI: https://doi.org/10.1007/s00214-023-03016-6

Martínez, A.; Ibarra, I. A.; Vargas, R. Plos ONE 2019, 14, e0224691. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0224691. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0224691

Goode-Romero, G. Domínguez, L.; Vargas, R.; Ibarra, I. A.; Martínez, A. Comput. Theor. Chem. 2020, 1197, 113125(1-6). DOI: https://doi.org/10.1016/j.comptc.2020.113125. DOI: https://doi.org/10.1016/j.comptc.2020.113125

Goode-Romero, G.; Winnberg, U.; Domínguez, L.; Ibarra, I. A.; Vargas, R.; Winnberg, E.; Martínez, A. Scientific Reports 2020, 10, 21581. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-020- 78446-4. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-020-78446-4

Santillán-Vargas, H.; Ramírez, J. Z.; Garza, J.; Vargas, R. Int. J Quantum Chem. 2012, 112, 3587–3593. DOI: https://doi.org/10.1002/qua.24225. DOI: https://doi.org/10.1002/qua.24225

Nieto-Malagón, G.; Hernández-Pérez, J.; Vargas, R.; Garza, J. Int. J Quantum Chem. 2012, 112, 3552–3557. DOI: https://doi.org/10.1002/qua.24186. DOI: https://doi.org/10.1002/qua.24186

Bautista-Renedo, J.-M.; Cuevas-Yañez, E.; Reyes-Pérez, H.; Vargas, R; Garza, J.; González-Rivas, N. RSC Adv. 2020, 10, 20202-20210. DOI: https://doi.org/10.1039/C9RA10218C. DOI: https://doi.org/10.1039/C9RA10218C

Bautista-Renedo, J.-M.; Hernández-Esparza, R.; Cuevas-Yañez, E.; Reyes-Pérez, H.; Vargas, R.; Garza, J.; González-Rivas, N. Int. J Quantum Chem., 2022, e26859. DOI: https://doi.org/10.1002/qua.26859. DOI: https://doi.org/10.1002/qua.26859

Vargas, R.; Garza, J.; Hay, B. P.; Dixon, D. A. J. Phys.Chem. A, 2002, 106, 3213- 3218. DOI: https://doi.org/10.1021/jp013952f. DOI: https://doi.org/10.1021/jp013952f

Bustos-Terrones, V.; Serratos, I. N.; Vargas, R.; Landeros-Rivera, Bruno. C.; Bustos- Terrones, Y. A.; Soto Estrada, A. M.; Vicente Escobar, J. O.; Romero Romo, M. A.; Uruchurtu, J.; Menchaca, C.; Esparza Schulz, J. M.; Domínguez, A. ChemistryOpen, 2018, 7, 984-994. DOI: https://doi.org/10.1002/open.201800201. DOI: https://doi.org/10.1002/open.201800201

Salazar-Cano, J.-R.; Guevara-García, A.; Vargas, R.; Restrepo, A; Garza, J. Phys. Chem. Chem. Phys. 2016, 18, 23508-23515. DOI: https://doi.org/10.1039/C6CP04086A. DOI: https://doi.org/10.1039/C6CP04086A

García-Hernández, E.; Flores-Moreno, R.; Vázquez-Mayagoitia, A.; Vargas, R.; Garza, J. New J. Chem. 2017, 41, 965-974. DOI: https://doi.org/10.1039/C6NJ02655A. DOI: https://doi.org/10.1039/C6NJ02655A

García, J.-J.; Hernández-Esparza, R.; Vargas, R.; Tiznado, W.; Garza, J. New J. Chem. 2019, 43, 4309-4650. DOI: https://doi.org/10.1039/C8NJ06315J. DOI: https://doi.org/10.1039/C8NJ06315J

Monjaraz-Rodríguez, A.; Rodriguez-Bautista, M.; Garza, J.; Zubillaga, R. A.; Vargas, R. J. Mol. Model. 2018, 24, 187-195. DOI: https://doi.org/10.1007/s00894-018-3725-5. DOI: https://doi.org/10.1007/s00894-018-3725-5

Ramírez, J.-Z.; Vargas, R.; Padilla-Martínez, I.; Flores-Huerta, A. G.; Garza, J. J. Mex. Chem. Soc. 2012, 56, 275-278.

Guillén-Villar, R. C.; Vargas-Álvarez, Y.; Vargas, R.; Garza, J.; Matus, M. H.; Salas-Reyes, M.; Domínguez, Z. J. Electroanal. Chem. 2015, 740, 95–104. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2015.01.003. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2015.01.003

Gómez, M.; González, I.; González, F. J.; Vargas, R.; Garza, J. Electrochem. Comm. 2003, 5, 12-15. DOI: https://doi.org/10.1016/S1388-2481(02)00519-2. DOI: https://doi.org/10.1016/S1388-2481(02)00519-2

García-Hernández, E.; Garza, J. J. Mex. Chem. Soc. 2017, 61, 222-228. DOI: https://doi.org/10.29356/jmcs.v61i3.348

Badillo-Ramírez, I.; Landeros-Rivera, B.; de la O-Cuevas, E.; Vargas, R.; Garza, J.; Saniger, J. M. New J. Chem. 2019, 43, 15861-15870. DOI: https://doi.org/10.1039/C9NJ03781K. DOI: https://doi.org/10.1039/C9NJ03781K

Ortega-Moo, C.; Garza, J.; Vargas, R. Theor. Chem. Acc. 2016, 135, 177-189. DOI: https://doi.org/10.1007/s00214-016-1932-7. DOI: https://doi.org/10.1007/s00214-016-1932-7

Ortega-Moo, C.; Durán, R.; Herrera, B.; Gutiérrez-Oliva, S.; Toro-Labbe, A.; Vargas, R. Phys. Chem. Chem. Phys. 2017, 19, 14512-14519. DOI: https://doi.org/10.1039/c7cp01304c. DOI: https://doi.org/10.1039/C7CP01304C

Gutiérrez-Flores, J.; Huerta, E. H.; Cuevas, G.; Garza, J.; Vargas, R. J. Org. Chem. 2024, 89, 257. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.joc.3c02016. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.joc.3c02016

Padilla-Bernal, G.; Gutiérrez-Flores, J.; Garza, J.; Vargas R. Theor. Chem. Acc. 2023, 142, 42. DOI: https://doi.org/10.1007/s00214-023-02978-x. DOI: https://doi.org/10.1007/s00214-023-02978-x

González-Martínez, G. A.; Jurado-Vázquez, T.; Solís-Ibarra, D.; Vargas, B.; Sánchez-González, E.; Martínez, A.; Vargas, R.; González-Zamora, E.; and Ibarra, I. A. Dalton Trans. 2018, 47, 9459-9465. DOI: https://doi.org/10.1039/C8DT01369A. DOI: https://doi.org/10.1039/C8DT01369A

Sánchez-Bautista, J. E; Landeros-Rivera, B.; Jurado-Vázquez, T.; Martínez, A.; González-Zamora, E.; Balmaseda, J.; Vargas, R.; Ibarra, I. A. Dalton Trans. 2019, 48, 5176-5182. DOI: https://doi.org/10.1039/C9DT00384C. DOI: https://doi.org/10.1039/C9DT00384C

Lara-García, H. A.; Landeros-Rivera, B.; González-Zamora, E.; Aguilar-Pliego, J.; Gómez-Cortés, A.; Martínez, A.; Vargas, R.; Díaz, G.; Ibarra, I. A. Dalton Trans. 2019, 48, 8611-8616. DOI: https://doi.org/10.1039/C9DT01266D. DOI: https://doi.org/10.1039/C9DT01266D

Barrios-Vargas, L. J.; Ruiz-Montoya, J. G.; Landeros-Rivera, B.; Álvarez, J. R.; Alvarado-Alvarado, D.; Vargas, R.; Martínez, A.; González-Zamora, E.; Cáceres, L. M.; Morales, J. C.; Ibarra, I. A. Dalton Trans. 2020, 49, 2786-2793. DOI: https://doi.org/10.1039/C9DT04667D. DOI: https://doi.org/10.1039/C9DT04667D

Landeros-Rivera, B.; Ibarra, I. A.; Díaz, M.; Vargas, R.; Lara-García, H. A.; Garza, J.; Martínez, A.. Phys. Chem. Chem. Phys. 2020, 22, 7969-7974. DOI: https://doi.org/10.1039/D0CP00579G. DOI: https://doi.org/10.1039/D0CP00579G

Garrido-Olvera, L. P; Sanchez-Bautista, J. E.; Alvarado-Alvarado, D.; Landeros- Rivera, B.; Álvarez, J. R.; Vargas, R.; González-Zamora, E.; Balmaseda, J.; Lara- García, H. A.; Martínez, A.; Ibarra, I. A. RSC Adv. 2019, 9, 32864-32872. DOI: https://doi.org/10.1039/c9ra05991a. DOI: https://doi.org/10.1039/C9RA05991A

Rivera-Almazo, M.; Díaz-Ramírez, M. L.; Hernández-Esparza, R.; Vargas, R.; Martínez, A.; Martis, V.; Sáenz-Cavazos, P. A.; Williams, D.; Lima, E.; Ibarra, A.; Garza, J. Phys. Chem. Chem. Phys. 2021, 23 1454-1463. DOI: https://doi.org/10.1039/D0CP04668J. DOI: https://doi.org/10.1039/D0CP04668J

Díaz-Ramírez, M. L.; Vargas, B.; Álvarez, J. R.; Landeros-Rivera, B.; Rivera- Almazo, M.; Ramos, C.; Flores, J. G.; Morales, E.; Vargas, R.; Garza, J.; González-Zamora, E.; Martínez, A.; Solís-Ibarra, D.; Ibarra, I. A. Dalton Trans. 2020, 49, 6572-6577. DOI: https://doi.org/10.1039/D0DT00945H. DOI: https://doi.org/10.1039/D0DT00945H

Rivera-Almazo, M.; Pérez-Sánchez, E.; Martínez-Ahumada, E.; Martínez, A.; Garza, J.; Ibarra, I. A.; Vargas, R. J. Phys. Chem. C 2022, 126, 6465-647. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.2c00742. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.2c00742

Medel, E.; Obeso, J. L.; Serrano-Fuentes, C.; Garza, J.; Ibarra, I. A.; Leyva, C.; Inge, K. A.; Martínez, A.; Vargas, R. Chem. Comm. 2023, 59, 8684-8687. DOI: https://doi.org/10.1039/D3CC02304D. DOI: https://doi.org/10.1039/D3CC02304D

Medel, E.; Garza, J.; Ibarra, I. A.; Martínez, A.; Vargas, R. Comput. Theor. Chem. 2023, 1228, 114265. DOI: https://doi.org/10.1016/j.comptc.2023.114265. DOI: https://doi.org/10.1016/j.comptc.2023.114265

García-Revilla, M. A.; Cortés-Guzmán, F.; Rocha-Rinza, T.; Hernández-Trujillo, J. Int. J. Quantum Chem. 2019, 119, e25789. DOI: https://doi.org/10.1002/qua.25789. DOI: https://doi.org/10.1002/qua.25789

×

Downloads

Published

2024-09-30
x

Most read articles by the same author(s)

1 2 > >> 

Similar Articles

<< < 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 > >> 

You may also start an advanced similarity search for this article.

Loading...