Hispanopedia Wiki
Articulo de referencia

Ángulo de Bürgi-Dunitz

Ángulos de trayectoria de aproximación de nucleófilos de Bürgi-Dunitz y Flippin-Lodge , α B D {\displaystyle \alpha _{BD}} y α F L {\displaystyle \alpha _{FL}} , análogo a los p...

Hispanopedia WikiContenido en espanolLectura gratuita
Ángulos de trayectoria de aproximación de nucleófilos de Bürgi-Dunitz y Flippin-Lodge ,αBD{\displaystyle \alpha _{BD}}yαFL{\displaystyle \alpha _{FL}}, análogo a los parámetros de tipo altitud y acimut en el sistema de coordenadas celestes (horizontales) . Tanto en este sistema de coordenadas celestes como en el sistema para describir un nucleófilo que se acerca a un electrófilo planar, el problema consiste en describir de forma única la ubicación de un punto fuera de un plano, en relación con un punto específico en el plano. Por lo tanto, en ambos casos, el problema puede abordarse utilizando dos ángulos, un ángulo de tipo altitud y un ángulo de tipo acimut. Nótese que, si bien la elevación en aplicaciones celestes se mide más fácilmente como la altitud específica mostrada, la elevación del nucleófilo,αBD{\displaystyle \alpha _{BD}}, se mide más fácilmente como el ángulo suplementario , Nu-CO, por lo que sus valores suelen ser >90° (véase el texto y la imagen "Adición de hidruro...").

El ángulo de Bürgi-Dunitz (ángulo BD) es uno de los dos ángulos que definen completamente la geometría del "ataque" (aproximación por colisión) de un nucleófilo sobre un centro trigonal insaturado en una molécula , originalmente el centro carbonilo en una cetona orgánica , pero ahora extendiéndose a carbonilos de aldehídos , ésteres y amidas , y también a alquenos (olefinas). [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] El ángulo recibió su nombre en honor a los cristalógrafos Hans-Beat Bürgi y Jack D. Dunitz , sus primeros investigadores principales.

En la práctica, los ángulos de Bürgi-Dunitz y Flippin-Lodge fueron fundamentales para el desarrollo de la comprensión de la síntesis química quiral , y específicamente del fenómeno de la inducción asimétrica durante el ataque nucleofílico a centros carbonílicos impedidos (véanse los modelos de Cram-Felkin-Anh y Nguyen ). [ 4 ] [ 5 ]

Además, los principios estereoelectrónicos que subyacen a los nucleófilos que adoptan un rango prescrito de ángulos de Bürgi-Dunitz pueden contribuir a la estabilidad conformacional de las proteínas [ 6 ] [ 7 ] y se invocan para explicar la estabilidad de conformaciones particulares de moléculas en una hipótesis sobre un origen químico de la vida . [ 8 ]

Definición

En la adición de un ataque nucleófilo (Nu) a un carbonilo, el ángulo BD se define como el ángulo de enlace Nu-CO. El ángulo BD adoptado durante la aproximación de un nucleófilo a un electrófilo trigonal insaturado depende principalmente de las formas y ocupaciones de los orbitales moleculares (OM) del centro de carbono insaturado (por ejemplo, el centro carbonílico), y solo secundariamente de los orbitales moleculares del nucleófilo. [ 1 ]

De los dos ángulos que definen la geometría del "ataque" nucleofílico, el segundo describe el "desplazamiento" del acercamiento del nucleófilo hacia uno de los dos sustituyentes unidos al carbono carbonílico u otro centro electrófilo, y fue denominado ángulo de Flippin-Lodge (ángulo FL) por Clayton Heathcock en honor a sus colaboradores Lee A. Flippin y Eric P. Lodge. [ 4 ]

Estos ángulos generalmente se interpretan como el ángulo medido o calculado para un sistema dado, y no como el rango de valores históricamente observado para las aminocetonas de Bürgi-Dunitz originales, ni como un valor idealizado calculado para un sistema particular (como la adición de hidruro al formaldehído , imagen a continuación). Es decir, los ángulos BD y FL del sistema hidruro-formaldehído producen un par de valores dados, mientras que los ángulos observados para otros sistemas pueden variar en relación con este sistema químico tan simple. [ 1 ] [ 3 ] [ 9 ]

Medición

Las mediciones originales de Bürgi-Dunitz se realizaron en una serie de interacciones intramoleculares de carbonilo de amina - cetona , en cristales de compuestos que contenían ambas funcionalidades —por ejemplo, protopina y metadona— que dieron un rango estrecho de valores del ángulo BD (105 ± 5°). [ 2 ] Por ejemplo, un estudio posterior enfocado del ángulo de Bürgi-Dunitz de la protopina dio un valor de ~102°. [ 10 ] Los cálculos correspondientes —cálculos de orbitales moleculares del tipo SCF-LCAO— realizados por el equipo de colaboradores de Bürgi-Dunitz examinaron el más simple de estos sistemas, la aproximación del orbital s de un anión hidruro (H − ) al sistema de enlace pi C=O del aldehído más simple, el formaldehído (H 2 C=O); esos cálculos dieron un valor del ángulo BD de 107°. [ 2 ]

En la estructura de la protopina (abajo, izquierda), observe la amina terciaria , R 3 N, cerca del centro-derecha de la molécula, parte de un anillo de diez miembros, y el grupo C = O diagonalmente opuesto en el anillo; estos participan en una interacción intramolecular permitida por cambios en los ángulos de torsión de los átomos del anillo. [ 10 ] De manera similar, en la estructura de la L -metadona (abajo, derecha), observe la amina terciaria que se proyecta hacia la parte inferior derecha, y el grupo carbonilo (C = O) en el centro, que participan en una interacción intramolecular en la estructura cristalina (después de la rotación alrededor de los enlaces simples que los conectan, durante el proceso de cristalización ).

Por lo tanto, Bürgi, Dunitz y posteriormente muchos otros observaron que las mediciones cristalográficas de las aminocetonas y la estimación computacional para el sistema nucleófilo-electrófilo más simple estaban bastante cerca de un ideal teórico, el ángulo tetraédrico (ángulos internos de un tetraedro , 109,5°), y por lo tanto eran consistentes con una geometría que se entiende que es importante para el desarrollo de estados de transición en ataques nucleofílicos en centros trigonales.

Teoría

Adición de hidruro al formaldehído
Estimado Bürgi–Dunitz (αBD{\displaystyle \alpha _{BD}}) ángulo para esta adición nucleofílica H (–) → H 2 C=O más simple .
Interacción HOMO-LUMO subyacenteαBD{\displaystyle \alpha _{BD}}ángulo en sistemas simples.
(Izquierda) Se muestra el ataque nucleofílico del nucleófilo cargado (Nu), anión hidruro, sobre el centro trigonal insaturado del electrófilo aldehído, formaldehído (R,R'=H). Se indica el valor calculado como óptimo para este sistema, 107°, que es representativo de los valores obtusos observados en la mayoría de los sistemas químicos experimentales. (Derecha) Esquema del acercamiento de un orbital molecular ocupado más alto (HOMO) de tipo p de un nucleófilo como el ion cloruro (esfera verde), y el orbital molecular desocupado más bajo (LUMO) del centro trigonal de un carbonilo electrófilo de formaldehído (esfera negra: carbono, esfera roja: oxígeno, esferas blancas: hidrógeno). La vista es casi lateral, y la distorsión fuera del plano que se desarrolla en el átomo de carbono del carbonilo se omite por simplicidad.

La convergencia de los ángulos BD observados puede interpretarse como resultado de la necesidad de maximizar la superposición entre el orbital molecular más alto ocupado ( HOMO ) del nucleófilo y el orbital molecular más bajo desocupado ( LUMO ) del centro trigonal insaturado del electrófilo. [ 1 ] (Véase, en comparación, el concepto relacionado de química inorgánica del modelo de superposición angular. [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] )

En el caso de la adición a un carbonilo, el HOMO suele ser un orbital de tipo p (p. ej., en un nitrógeno de amina o un anión haluro ), y el LUMO se entiende generalmente como el orbital molecular π* antienlazante perpendicular al plano que contiene el enlace C=O de la cetona y sus sustituyentes (véase la figura de la derecha). Se cree que el ángulo BD observado para el ataque nucleofílico se aproxima al ángulo que produciría una superposición óptima entre el HOMO y el LUMO (basado en el principio de la disminución de las energías de los nuevos orbitales moleculares resultantes tras dicha mezcla de orbitales de energía y simetría similares de los reactivos participantes). Al mismo tiempo, el nucleófilo evita la superposición con otros orbitales del grupo electrófilo que son desfavorables para la formación del enlace (no se aprecia en la imagen de la derecha, arriba, debido a la simplicidad del R=R'=H en el formaldehído).

Complicaciones

Interacciones electrostáticas y de Van der Waals.

Para comprender casos de reacciones químicas reales, la visión centrada en el HOMO-LUMO se modifica mediante la comprensión de interacciones electrostáticas y de Van der Waals repulsivas y atractivas, específicas del electrófilo , que alteran el ángulo altitudinal de BD y sesgan el ángulo azimutal de Flippin-Lodge hacia un sustituyente u otro (véase el gráfico anterior). [ 14 ]

Dinámica lineal y rotacional

La teoría del ángulo BD se desarrolló a partir de interacciones "congeladas" en cristales, donde los efectos de la dinámica del sistema (por ejemplo, ángulos de torsión fácilmente modificables ) pueden ser insignificantes. Sin embargo, la mayoría de las reacciones químicas de interés general y utilidad tienen lugar mediante colisiones de moléculas que giran rápidamente en solución ; por consiguiente, la dinámica de cada situación se muestrea eficazmente y, por lo tanto, se refleja en los resultados de las reacciones.

Entornos confinados en enzimas y nanomateriales

Además, en entornos de reacción restringidos, como en los sitios de unión de enzimas y nanomateriales, la evidencia temprana sugiere que los ángulos BD para la reactividad pueden ser bastante distintos, ya que los conceptos de reactividad que asumen superposiciones orbitales durante la colisión aleatoria no son directamente aplicables. [ 15 ] [ 9 ]

Por ejemplo, el valor BD determinado para la escisión enzimática de una amida por una serina proteasa ( subtilisina ) fue de 88°, bastante distinto del valor de 107° obtenido con hidruro-formaldehído; además, la recopilación de valores de ángulos BD cristalográficos de la literatura para la misma reacción mediada por diferentes catalizadores proteicos se agrupó en 89 ± 7° (es decir, solo ligeramente desplazados de directamente encima o debajo del carbono carbonílico). Al mismo tiempo, el valor FL de la subtilisina fue de 8°, y los valores de ángulos FL de la recopilación cuidadosa se agruparon en 4 ± 6° (es decir, solo ligeramente desplazados de directamente detrás del carbonilo; véase el artículo sobre el ángulo de Flippin-Lodge ). [ 9 ]

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 4 Fleming, I. (2010) Orbitales moleculares y reacciones químicas orgánicas: Edición de referencia , John Wiley & Sons, págs. 214–215.
  2. 1 2 3 Bürgi, H.-B.; Dunitz, JD; Lehn. J.-M.; Wipff, G. (1974). "Estereoquímica de las rutas de reacción en centros carbonílicos". Tetrahedron . 30 (12): 1563– 1572. doi : 10.1016/S0040-4020(01)90678-7 .
  3. 1 2 Cieplak, AS (2008) Reacciones de adición y eliminación orgánicas: Rutas de transformación de derivados carbonílicos En Structure Correlation, Vol. 1 (H.-B. Bürgi y JD Dunitz, eds.), Nueva York: John Wiley & Sons, pp. 205–302, esp. 216-218. [doi:10.1002/9783527616091.ch06; ISBN 9783527616091]
  4. 1 2 Heathcock, CH (1990) Comprensión y control de la selectividad diastereofacial en reacciones de formación de enlaces carbono-carbono, Aldrichimica Acta 23 (4):94-111, esp. p. 101, véaseArchivado el 6 de enero de 2014 en Wayback Machine , consultado el 9 de junio de 2014.
  5. ↑ Gawley, RE y Aube, J. 1996, Principios de síntesis asimétrica (Serie de química orgánica Tetrahedron, vol. 14), págs. 121-130, esp. págs. 127 y siguientes.
  6. ^ Bartlett, GJ; Choudhary, A.; Raines, RT; Woolfson, DN (2010). « interacciones n → π * en proteínas» . Nat. Química. Biol . 6 (8): 615– 620. doi : 10.1038/nchembio.406 . PMC 2921280 . PMID 20622857 .  
  7. ↑ Fufezan, C. (2010). "El papel de las interacciones de Buergi-Dunitz en la estabilidad estructural de las proteínas". Proteins . 78 (13): 2831– 2838. doi : 10.1002/prot.22800 . PMID 20635415 . S2CID 41838636 .  
  8. ↑ Choudhary, A.; Kamer, KJ; Powner, MW; Sutherland, JD; Raines, RT (2010). "Un efecto estereoelectrónico en la síntesis de nucleótidos prebióticos" . ACS Chem. Biol . 5 (7): 655– 657. doi : 10.1021/cb100093g . PMC 2912435. PMID 20499895 .  
  9. 1 2 3 Radisky, ES y Koshland, DE (2002), Un mecanismo de canaleta obstruida para inhibidores de proteasa, Proc. Natl. Acad. Sci. USA , 99 (16):10316-10321, ver, consultado el 28 de noviembre de 2014.
  10. 1 2 3 Hall, SR; Ahmed, FR (1968). "La estructura cristalina de la protopina, C 20 H 19 O 5 N". Acta Crystallogr. B . 24 (3): 337– 346. Bibcode : 1968AcCrB..24..337H . doi : 10.1107/S0567740868002347 .
  11. ↑ Hoggard, PE (2004) Parámetros del modelo de superposición angular, Struct. Bond. 106 , 37.
  12. ↑ Burdett, JK (1978) Una nueva mirada a la estructura y el enlace en complejos de metales de transición, Adv. Inorg. Chem. 21 , 113.
  13. ↑ Purcell, KF y Kotz, JC (1979) Química inorgánica , Filadelfia, PA: Saunders Company.
  14. ↑ Lodge, EP y Heathcock, CH (1987) Los efectos estéricos, así como las energías de los orbitales sigma*, son importantes en la diferenciación de diastereofaces en adiciones a aldehídos quirales, J. Am. Chem. Soc. , 109 :3353-3361.
  15. ↑ Véase, por ejemplo, Light, SH; Minasov, G.; Duban, M.-E. y Anderson, WF (2014) Adherence to Bürgi-Dunitz stereochemical principles requires significant structural rearrangements in Schiff-base formation: Insights from transaldolase complexes, Acta Crystallogr. D 70 (Pt 2):544-52, DOI: 10.1107/S1399004713030666, véaseArchivado el 14 de julio de 2014 en Wayback Machine , consultado el 10 de junio de 2014.