Published October 22, 2021 | Version v1
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Study of relativistic effects on halogen bonds mediated by astatine

Description

Astatine (Z = 85) is a radioelement whose 211 isotope is of great interest in radiotherapy. Besides its ability to form charge-shift bonds, astatine is potentially the strongest halogen bond donor since it is the most polarizable halogen element. Owing to its large nuclear charge, astatine also reveals relativistic effects that affect its chemistry. It is therefore relevant to investigate their influence on the halogen bonding properties. This work addresses particularly the role of the spin-orbit coupling by the mean of scalar relativistic and two-component density functional theory (DFT) calculations. Topological analyses of the density (QTAIM) and of the electronic localization function (ELF) are used to reveal the consequences on the nature of interactions and chemical bonds. It is shown that the mechanism of charge-shift bonding weakens the halogen bond donating ability of astatine. For instance, the halogen bond donor CAt4 eventually engages in weaker interactions than those formed by its iodinated analogue, CI4. We have also shown that the effects of spin-orbit coupling can be more marked on the halogen bonds formed by iodine, if its heavier counterpart, astatine, is in the near neighborhood. Considering the halogen bond donor At-CH2-I in interaction with the Me3NO Lewis base, the spin-orbit coupling weakens the halogen bond involving the iodine atom by 8%, while the effect is 2% on the interaction mediated by astatine. The delocalization of the spin-orbit coupling effects, originating from astatine, is rationalized from electronic effects and electronegativity differences. (author)

Abstract (French)

L'astate (Z = 85) est un radioelement dont l'isotope 211 presente un grand interet en radiotherapie. Outre sa capacite a s'impliquer dans des liaisons a fluctuation de charge, l'astate est potentiellement capable de former les liaisons halogene les plus fortes en raison de sa plus grande polarisabilite en comparaison aux autres halogenes. Du fait de son importante charge nucleaire, l'astate revele egalement des effets relativistes qui affectent sa chimie. Il est donc pertinent d'apprehender l'influence de ces effets sur ses proprietes de donneur de liaison halogene. Ce travail aborde plus particulierement le role du couplage spin-orbite au moyen des calculs de la theorie de la fonctionnelle de la densite (DFT) aux niveaux relativiste scalaire et deux composantes. Les analyses topologiques de la densite (QTAIM) et de la fonction de localisation electronique (ELF) sont utilisees pour reveler les consequences sur la nature des interactions et liaisons chimiques. Il est montre que la presence de liaisons a fluctuation de charge affaiblit fortement le potentiel donneur de liaison halogene de l'astate. Par exemple dans le cas du donneur de liaison halogene CAt4, cela peut se traduire par des interactions plus faibles que celles formees par l'analogue iode, CI4. Nous avons egalement montre que les effets du couplage spin-orbite peuvent etre plus marques sur les liaisons halogene etablies par l'iode, quand il est voisin de son homologue plus lourd, l'astate. Dans le cas du donneur de liaison halogene At-CH2-I en interaction avec la base de Lewis Me3NO, le couplage spin-orbite affaiblit par exemple de 8% la liaison halogene de l'iode tandis que l'effet sur l'interaction equivalente etablie par l'astate est de 2%. Une delocalisation des effets de l'interaction spin-orbite, ayant pour origine l'astate, est rationalisee a partir d'effets electroniques decoulant des electronegativites des elements. (auteur)

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Original title (French)
Etude des effets relativistes sur les liaisons halogene impliquant l'astate

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Imprint Pagination
212 p.
Report number
FRNC-TH--12926

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Notes
201 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses