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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...

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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.
(Left) Shown is nucleophilic attack by the charged nucleophile (Nu), hydride anion, on the unsaturated trigonal center of the aldehyde electrophile, formaldehyde (R,R'=H). The value computed as optimal for this system, 107°, is indicated, and is representative of the obtuse values observed in most experimental chemical systems.(Right) Cartoon of the approach of a p-type highest occupied molecular orbital (HOMO) of a nucleophile such as chloride ion (green sphere), and the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) of the trigonal center of an electrophilic carbonyl of formaldehyde (black sphere carbon, red sphere oxygen, white spheres hydrogen). View is nearly side on, and the developing out-of-plane distortion of the carbonyl carbon atom is omitted for simplicity.

The convergence of observed BD angles can be viewed as arising from the need to maximize overlap between the highest occupied molecular orbital (HOMO) of the nucleophile, and the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) of the unsaturated, trigonal center of the electrophile.[1] (See, in comparison, the related inorganic chemistry concept of the angular overlap model.[11][12][13])

In the case of addition to a carbonyl, the HOMO is often a p-type orbital (e.g., on an amine nitrogen or halideanion), and the LUMO is generally understood to be the antibonding π* molecular orbital perpendicular to the plane containing the ketone C=O bond and its substituents (see figure at right above). The BD angle observed for nucleophilic attack is believed to approach the angle that would produce optimal overlap between HOMO and LUMO (based on the principle of the lowering of resulting new molecular orbital energies after such mixing of orbitals of similar energy and symmetry from the participating reactants). At the same time, the nucleophile avoids overlap with other orbitals of the electrophilic group that are unfavorable for bond formation (not apparent in image at right, above, because of the simplicity of the R=R'=H in formaldehyde).

Complications

Electrostatic and Van der Waals interactions

To understand cases of real chemical reactions, the HOMO-LUMO-centered view is modified by understanding of further complex, electrophile-specific repulsive and attractive electrostatic and Van der Waals interactions that alter the altitudinal BD angle, and bias the azimuthal Flippin-Lodge angle toward one substituent or the other (see graphic above).[14]

Linear and rotational dynamics

BD angle theory was developed based on "frozen" interactions in crystals where the impacts of dynamics at play in the system (e.g., easily changed torsional angles) may be negligible. However, most reaction chemistry of general interest and utility takes place via collisions of molecules rapidly tumbling in solution; accordingly, the dynamics of each situation are sampled effectively, and so are reflected in the outcomes of the reactions.

Constrained environments in enzymes and nanomaterials

Moreover, in constrained reaction environments such as in enzyme and nanomaterial binding sites, early evidence suggests that BD angles for reactivity can be quite distinct, since reactivity concepts assuming orbital overlaps during random collision are not directly applicable.[15][9]

For instance, the BD value determined for enzymatic cleavage of an amide by a serine protease (subtilisin) was 88°, quite distinct from the hydride-formaldehyde value of 107°; moreover, compilation of literature crystallographic BD angle values for the same reaction mediated by different protein catalysts clustered at 89 ± 7° (i.e., only slightly offset from directly above or below the carbonyl carbon). At the same time, the subtilisin FL value was 8°, and FL angle values from the careful compilation clustered at 4 ± 6° (i.e., only slightly offset from directly behind the carbonyl; see the Flippin–Lodge angle article).[9]

See also

References

  1. 1234Fleming, I. (2010) Molecular Orbitals and Organic Chemical Reactions: Reference Edition, John Wiley & Sons, pp. 214–215.
  2. 123Bürgi, H.-B.; Dunitz, J. D.; Lehn. J.-M.; Wipff, G. (1974). "Stereochemistry of reaction paths at carbonyl centres". Tetrahedron. 30 (12): 1563–1572. doi:10.1016/S0040-4020(01)90678-7.
  3. 12Cieplak, A.S. (2008) Organic addition and elimination reactions: Transformation paths of carbonyl derivatives In Structure Correlation, Vol. 1 (H.-B. Bürgi & J. D. Dunitz, eds.), New York:John Wiley & Sons, pp. 205–302, esp. 216-218. [doi:10.1002/9783527616091.ch06; ISBN 9783527616091 ]
  4. 12Heathcock, C.H. (1990) Understanding and controlling diastereofacial selectivity in carbon-carbon bond-forming reactions, Aldrichimica Acta23(4):94-111, esp. p. 101, see Archivado 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.