journal article·2019-03-01Open access

Towards understanding π-stacking interactions between non-aromatic rings

Krešimir Molčanov, Biserka Kojić-Prodić

IUCrJ· Volume 6· Issue 2

Abstract

The first systematic study of π interactions between non-aromatic rings, based on the authors' own results from an experimental X-ray charge-density analysis assisted by quantum chemical calculations, is presented. The landmark (non-aromatic) examples include quinoid rings, planar radicals and metal-chelate rings. The results can be summarized as: (i) non-aromatic planar polyenic rings can be stacked, (ii) interactions are more pronounced between systems or rings with little or no π-electron delocalization ( e.g. quinones) than those involving delocalized systems ( e.g. aromatics), and (iii) the main component of the interaction is electrostatic/multipolar between closed-shell rings, whereas (iv) interactions between radicals involve a significant covalent contribution (multicentric bonding). Thus, stacking covers a wide range of interactions and energies, ranging from weak dispersion to unlocalized two-electron multicentric covalent bonding (`pancake bonding'), allowing a face-to-face stacking arrangement in some chemical species (quinone anions). The predominant interaction in a particular stacked system modulates the physical properties and defines a strategy for crystal engineering of functional materials.
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Research context

OpenAlex topics: Synthesis of heterocyclic compounds · Organic and Molecular Conductors Research · Synthesis and Characterization of Pyrroles

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References (100+)

Show source-provided references
1. Akutagawa · J. Am. Chem. Soc. · 2004 · 126 · 29110.1021/ja0377697 ↗
2. Androš · Polyhedron · 2010 · 29 · 129110.1016/j.poly.2010.01.005 ↗
3. Ashwell · Acta Cryst. B · 1977 · 33 · 834
4. Babić · Inorg. Chem. · 2008 · 47 · 1044610.1021/ic8010234 ↗
5. Beer · Chem. Commun. · 2002 · 256210.1039/B207735N ↗
6. Bianchi · C. R. Chim. · 2005 · 8 · 139210.1016/j.crci.2004.12.015 ↗
7. Bissantz · J. Med. Chem. · 2010 · 53 · 506110.1021/jm100112j ↗
8. Blatov · Crystallogr. Rev. · 2004 · 10 · 24910.1080/08893110412331323170 ↗
9. Bloom · J. Chem. Theory Comput. · 2012 · 8 · 316710.1021/ct300520n ↗
10. Bloom · Angew. Chem. Int. Ed. · 2011 · 50 · 784710.1002/anie.201102982 ↗
11. Bredas · Chem. Mater. · 2011 · 23 · 30910.1021/cm1034694 ↗
12. Carini · Nat. Commun. · 2017 · 8 · 1519510.1038/ncomms15195 ↗
13. Casado · Angew. Chem. Int. Ed. · 2013 · 52 · 642110.1002/anie.201207813 ↗
14. Castiñeiras · Inorg. Chem. · 2002 · 41 · 695610.1021/ic026004h ↗
15. Chen · Sci. Rep. · 2016 · 6 · 2931410.1038/srep29314 ↗
16. Chuang · Acta Cryst. B · 2017 · 73 · 63410.1107/S2052520617007119 ↗
17. Cruz-Cabeza · Chem. Commun. · 2017 · 53 · 790510.1039/C7CC02423A ↗
18. Cui · ChemPhysChem · 2014 · 15 · 16510.1002/cphc.201300784 ↗
19. Cui · J. Am. Chem. Soc. · 2014 · 136 · 553910.1021/ja412862n ↗
20. Desiraju, G. R., Vittal, J. J. & Ramanan, A. (2011). Crystal Engineering: A Textbook. Singapore: World Scientific.10.1142/8060 ↗
21. Endres · Acta Cryst. B · 1978 · 34 · 182310.1107/S0567740878006767 ↗
22. Feixas · WIREs Comput. Mol. Sci. · 2013 · 3 · 10510.1002/wcms.1115 ↗
23. Furukawa · Commun. Chem. · 2018 · 1 · 6010.1038/s42004-018-0057-4 ↗
24. Gajda · Struct. Chem. · 2017 · 28 · 160710.1007/s11224-017-0969-0 ↗
25. Grimme · Angew. Chem. Int. Ed. · 2008 · 47 · 343010.1002/anie.200705157 ↗
26. Groom · Acta Cryst. B · 2016 · 72 · 17110.1107/S2052520616003954 ↗
27. Hicks · Nat. Chem. · 2011 · 3 · 18910.1038/nchem.997 ↗
28. Hirshfeld · Theor. Chim. Acta · 1977 · 44 · 12910.1007/BF00549096 ↗
29. Huang · J. Am. Chem. Soc. · 2007 · 129 · 163410.1021/ja066426g ↗
30. Huang · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2008 · 10 · 262510.1039/b717752f ↗
31. Hunter · J. Chem. Soc. Perkin Trans. · 2001 · 2 · 65110.1039/b008495f ↗
32. Hunter · J. Am. Chem. Soc. · 1990 · 112 · 552510.1021/ja00170a016 ↗
33. Itkis · Science · 2002 · 296 · 144310.1126/science.1071372 ↗
34. Janiak · J. Chem. Soc. Dalton Trans. · 2000 · 388510.1039/b003010o ↗
35. Jurić · RSC Adv. · 2016 · 6 · 6278510.1039/C6RA13809H ↗
36. Karabıyık · J. Inorg. Organomet. Polym. · 2010 · 20 · 14210.1007/s10904-009-9323-3 ↗
37. Kertesz, M. (2018). Chem. Eur. J. https://doi.org/10.1002/chem.201802385.10.1002/chem.201802385 ↗
38. Kravtsov · Acta Cryst. A · 2004 · 60 · s30410.1107/S010876730409395X ↗
39. Leitch · Chem. Commun. · 2007 · 336810.1039/b708756j ↗
40. Lekin · J. Am. Chem. Soc. · 2010 · 132 · 1621210.1021/ja106768z ↗
41. Madhusudan Makwana · Protein Sci. · 2015 · 24 · 192010.1002/pro.2814 ↗
42. Mak · J. Phys. Chem. B · 2016 · 120 · 601010.1021/acs.jpcb.6b01934 ↗
43. Malenov · Coord. Chem. Rev. · 2017 · 345 · 31810.1016/j.ccr.2016.12.020 ↗
44. Martinez · Chem. Sci. · 2012 · 3 · 219110.1039/c2sc20045g ↗
45. Masui · Coord. Chem. Rev. · 2014 · 219-221 · 95710.1016/S0010-8545(01)00389-7 ↗
46. Mercuri · Coord. Chem. Rev. · 2010 · 254 · 141910.1016/j.ccr.2009.10.002 ↗
47. Milčić · Inorg. Chem. · 2007 · 46 · 710910.1021/ic062292w ↗
48. Molčanov · Acta Cryst. B · 2014 · 70 · 18110.1107/S2052520613027170 ↗
49. Molčanov · J. Organomet. Chem. · 2007 · 692 · 387410.1016/j.jorganchem.2007.05.037 ↗
50. Molčanov · Cryst. Growth Des. · 2019 · 19 · 39110.1021/acs.cgd.8b01484 ↗
51. Molčanov · CrystEngComm · 2017 · 19 · 389810.1039/C7CE00501F ↗
52. Molčanov · Dalton Trans. · 2013 · 42 · 1575610.1039/c3dt51734a ↗
53. Molčanov · Dalton Trans. · 2014 · 43 · 720810.1039/C3DT53332H ↗
54. Molčanov · Acta Cryst. B · 2012 · 68 · 5810.1107/S0108768111051159 ↗
55. Molčanov · CrystEngComm · 2017 · 19 · 180110.1039/C7CE00261K ↗
56. Molčanov · CrystEngComm · 2012 · 14 · 795810.1039/c2ce25893e ↗
57. Molčanov · CrystEngComm · 2013 · 15 · 13510.1039/C2CE26119G ↗
58. Molčanov · CrystEngComm · 2011 · 13 · 517010.1039/c1ce05513e ↗
59. Molčanov · Croat. Chem. Acta · 2009 · 82 · 387
60. Molčanov · CrystEngComm · 2009 · 11 · 140710.1039/b821011j ↗
61. Molčanov · Chem. Eur. J. · 2018 · 24 · 829210.1002/chem.201800672 ↗
62. Molčanov · CrystEngComm · 2011 · 13 · 421110.1039/c1ce05161j ↗
63. Molčanov · CrystEngComm · 2018 · 20 · 186210.1039/C7CE02146A ↗
64. Molčanov · CrystEngComm · 2015 · 17 · 864510.1039/C5CE01037C ↗
65. Molčanov · Cryst. Growth Des. · 2016 · 16 · 477710.1021/acs.cgd.6b00675 ↗
66. Morita · Bull. Chem. Soc. Jpn · 2013 · 86 · 18310.1246/bcsj.20120241 ↗
67. Mou · Angew. Chem. Int. Ed. · 2017 · 56 · 1018810.1002/anie.201704941 ↗
68. Mou · J. Am. Chem. Soc. · 2014 · 136 · 1800910.1021/ja509243p ↗
69. Murata · Bull. Chem. Soc. Jpn · 2013 · 86 · 92710.1246/bcsj.20130043 ↗
70. Nakano, T. (2014). Editor. π-Stacked Polymers and Molecules. Heidelberg: Springer.
71. Neel · Nature · 2017 · 543 · 63710.1038/nature21701 ↗
72. Newberry · Acc. Chem. Res. · 2017 · 50 · 183810.1021/acs.accounts.7b00121 ↗
73. Nishijo · Bull. Chem. Soc. Jpn · 2004 · 77 · 71510.1246/bcsj.77.715 ↗
74. Novoa · Acc. Chem. Res. · 2007 · 40 · 18910.1021/ar068175m ↗
75. Novoa · J. Am. Chem. Soc. · 2009 · 131 · 907010.1021/ja902790q ↗
76. Nozawa · Nat. Commun. · 2016 · 7 · 1362010.1038/ncomms13620 ↗
77. Pal · J. Am. Chem. Soc. · 2004 · 126 · 147810.1021/ja037864f ↗
78. Pérez · Chem. Soc. Rev. · 2015 · 44 · 642510.1039/C5CS00578G ↗
79. Pillet · J. Am. Chem. Soc. · 2004 · 126 · 121910.1021/ja030279u ↗
80. Podzorov · Nat. Mater. · 2010 · 10 · 61610.1038/nmat2820 ↗
81. Poulsen · Acta Cryst. A · 2004 · 60 · 38210.1107/S010876730401699X ↗
82. Preuss · Polyhedron · 2014 · 79 · 110.1016/j.poly.2014.04.005 ↗
83. Quiñonero · ChemPhysChem · 2006 · 7 · 248710.1002/cphc.200600343 ↗
84. Ramanathan · J. Phys. Chem. A · 2017 · 121 · 908110.1021/acs.jpca.7b08164 ↗
85. Riley · Acc. Chem. Res. · 2013 · 46 · 92710.1021/ar300083h ↗
86. Rosokha · J. Am. Chem. Soc. · 2007 · 129 · 82810.1021/ja064166x ↗
87. Rosokha · New J. Chem. · 2009 · 33 · 54510.1039/B812829D ↗
88. Rosokha · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2009 · 11 · 32410.1039/B811816G ↗
89. Rosokha · J. Phys. Org. Chem. · 2010 · 23 · 39510.1002/poc.1612 ↗
90. Salonen · Angew. Chem. Int. Ed. · 2011 · 50 · 480810.1002/anie.201007560 ↗
91. Sanvito · Chem. Soc. Rev. · 2011 · 40 · 333610.1039/c1cs15047b ↗
92. Shvachko · Inorg. Chem. · 2016 · 55 · 912110.1021/acs.inorgchem.6b01829 ↗
93. Spackman · CrystEngComm · 2009 · 11 · 1310.1039/B818330A ↗
94. Spackman · CrystEngComm · 2008 · 10 · 377
95. Steed, J. W. & Atwood, J. L. (2009). Supramolecular Chemistry, 2nd ed. Chichester: John Wiley & Sons Ltd.10.1002/9780470740880 ↗
96. Steiner · Angew. Chem. Int. Ed. · 2002 · 41 · 4810.1002/1521-3773(20020104)41:1<48::AID-ANIE48>3.0.CO;2-U ↗
97. Stornaiuolo · Nat. Commun. · 2013 · 4 · 187510.1038/ncomms2900 ↗
98. Takamuku · Chem. Eur. J. · 2017 · 23 · 747410.1002/chem.201700999 ↗
99. Tian · J. Phys. Chem. A · 2011 · 115 · 1394210.1021/jp208182s ↗
100. Tiekink, R. T. & Zukerman-Schpector, J. (2012). Editors. The Importance of π-Interactions in Crystal Engineering. Chichester: Wiley.