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Substituent and Heteroatom Effects on π–π Interactions: Evidence That Parallel-Displaced π-Stacking is Not Driven by Quadrupolar Electrostatics

化学 静电学 超分子化学 堆积 化学物理 范德瓦尔斯力 计算化学 静电 结晶学 非共价相互作用 分子物理学 有机化学 晶体结构 量子力学 物理 氢键 分子 物理化学
作者
Brandon Schramm,Montgomery Gray,John M. Herbert
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
被引量:3
标识
DOI:10.1021/jacs.4c13291
摘要

Stacking interactions are a recurring motif in supramolecular chemistry and biochemistry, where a persistent theme is a preference for parallel-displaced aromatic rings rather than face-to-face π-stacking. This is typically explained in terms of quadrupole–quadrupole interactions between the arene moieties but that interpretation is inconsistent with accurate calculations, which reveal that the quadrupolar picture is qualitatively wrong. At typical π-stacking distances, quadrupolar electrostatics may differ in sign from an exact calculation based on charge densities of the interacting arenes. We apply symmetry-adapted perturbation theory to dimers composed of substituted benzene and various aromatic heterocycles, which display a wide range of electrostatic interactions, and we investigate the interplay of Pauli repulsion, dispersion, and electrostatics as it pertains to parallel-displaced π-stacking. Profiles of energy components along cofacial slip-stacking coordinates support a prominent role for the "van der Waals model" (dispersion in competition with Pauli repulsion), even for polar monomers where electrostatic interactions are significant. While electrostatic interactions are necessary to explain the optimal face-to-face π-stacking distance and to account for the relative orientation of one polar arene with respect to another, we find no evidence to support continued invocation of quadrupolar electrostatics as a basis for π-stacking. Our results suggest that a driving force for offset-stacking exists even in the absence of electrostatic interactions. Consequently, tuning electrostatics via functionalization does not guarantee that slip-stacking can be avoided. This has implications for rational design of soft materials and other supramolecular architectures.
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