El ángulo de Bürgi-Dunitz ( ángulo BD) es uno de los dos ángulos que definen completamente la geometría de "ataque" (aproximación por colisión) de un nucleófilo en un centro trigonal insaturado en una molécula , originalmente el centro carbonilo en una cetona orgánica , pero ahora se extiende a carbonilos de aldehído , éster y amida , y también a alquenos (olefinas). [2] [3] [4]Precisamente, en el caso del ataque nucleofílico en un carbonilo, se define como el ángulo de enlace Nu-CO, donde Nu se usa aquí para identificar el átomo del nucleófilo que forma el enlace con el átomo de carbono, C. El ángulo se denominó después de los cristalógrafos Hans-Beat Bürgi y Jack D. Dunitz , sus primeros investigadores senior. El segundo ángulo que define la geometría describe el "desplazamiento" del enfoque del nucleófilo hacia uno de los dos sustituyentes unidos al carbono carbonilo u otro centro electrófilo, y Clayton Heathcock lo llamó el ángulo Flippin-Lodge en honor a sus colaboradores Lee A. Flippin. y Eric P. Lodge. [5] Estos ángulos generalmente se interpretan como el ángulo medido o calculado para un sistema dado, y no el rango de valores históricamente observados para las aminocetonas de Bürgi-Dunitz originales, o un valor idealizado calculado para un sistema en particular (como formaldehído , imagen a la izquierda). Es decir, los ángulos BD y FL del sistema hidruro-formadehído producen un par de valores dado, mientras que los ángulos observados para otros sistemas pueden variar en relación con el sistema químico más simple. [2] [4] [6]
El ángulo BD adoptado durante una aproximación de un nucleófilo a un electrófilo trigonal insaturado depende principalmente de las formas y ocupaciones de los orbitales moleculares (MO) del centro de carbono insaturado (p. Ej., Centro de carbonilo), y solo secundariamente de los orbitales moleculares del nucleófilo. [2] Las mediciones originales de Bürgi-Dunitz fueron de una serie de interacciones intramoleculares de amina - cetona carbonilo, en cristales de compuestos que tienen ambas funcionalidades, por ejemplo, metadona y protopina (imágenes a la izquierda y a la derecha). Estos dieron un rango estrecho de valores de ángulo de BD (105 ± 5 °); cálculos correspondientes - cálculos de orbitales moleculares del tipo SCF-LCAO - que describen el enfoque del orbital s de un anión hidruro (H - ) al sistema pi del aldehído más simple, formaldehído (H 2 C = O), dieron un valor de ángulo BD de 107 °. [3] [se necesita fuente no primaria ] Por lo tanto, Bürgi, Dunitz y, posteriormente, muchos otros notaron que las medidas 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 tanto, coherente con una geometría que se considera importante para el desarrollo de estados de transición en los ataques nucleofílicos en los centros trigonales. [ cita requerida ]
La convergencia de los ángulos BD observados puede verse como resultado de la necesidad de maximizar la superposición entre el orbital molecular ocupado más alto ( HOMO ) del nucleófilo y el orbital molecular desocupado más bajo ( LUMO ) del centro trigonal insaturado del electrófilo. [2] (Ver, en comparación, el concepto relacionado de química inorgánica del modelo de superposición angular. [7] [8] [9] [ página necesaria ] ) En el caso de la adición a un carbonilo, el HOMO es a menudo un p- tipo orbital como se muestra en la figura (por ejemplo, en un anión de haluro o nitrógeno amínico ), y generalmente se entiende que LUMO es el orbital molecular antienlazante π * perpendicular al plano que contiene el enlace cetona C = O y sus sustituyentes (ver figura a la derecha arriba). Se cree que el ángulo de BD observado para el ataque nucleofílico se acerca al ángulo que produciría una superposición óptima entre HOMO y LUMO (basado en el principio de disminución de las nuevas energías de MO resultantes después de tal mezcla de orbitales de energía similar y simetría de los reactivos participantes) . Al mismo tiempo, el nucleófilo evita la superposición con otros orbitales del grupo electrófilo que son desfavorables para la formación de enlaces (no aparente en la imagen de la derecha, arriba, debido a la simplicidad de R = R '= H en formaldehído). [ cita requerida ]
Para comprender los casos de reacciones químicas reales, la vista centrada en HOMO-LUMO se modifica mediante la comprensión de interacciones electrostáticas y de van der Waals complejas, específicas de electrófilos, repulsivas y atractivas, y de van der Waals que alteran el ángulo de BD altitudinal y sesgan el ángulo azimutal de Flippin-Lodge. hacia un sustituyente o hacia el otro (ver gráfico arriba). [10] [se necesita fuente no primaria ] Además, cualquier dinámica en juego en el sistema (por ejemplo, ángulos de torsión fácilmente cambiables ) se tiene en cuenta en casos reales. (Recuerde, la teoría del ángulo de BD se desarrolló sobre la base de interacciones "congeladas" en cristales; gran parte de la química de interés general y uso se lleva a cabo a través de colisiones de moléculas que caen en la solución). Además, en entornos de reacción restringidos, como la unión de enzimas y nanomateriales En los sitios, la evidencia preliminar sugiere que los ángulos de reactividad de BD pueden ser bastante distintos, ya que los conceptos de reactividad que asumen superposiciones orbitales durante una colisión aleatoria no son directamente aplicables. [11] [6] Por ejemplo, el valor de BD determinado para la escisión enzimática de una amida por una serina proteasa ( subtilisina ) fue de 88 °, bastante distinto del valor de hidruro-formaldehído de 107 °; además, compilación de valores de ángulo de BD cristalográficos de la literatura para la misma reacción mediada por diferentes catalizadores de proteínas agrupados a 89 ± 7 ° (es decir, solo ligeramente compensados directamente por encima o por debajo del carbono carbonilo). Al mismo tiempo, el valor de FL de subtilisina fue de 8 °, y los valores de ángulo de FL de la compilación cuidadosa se agruparon a 4 ± 6 ° (es decir, solo ligeramente desplazados directamente detrás del carbonilo; ver el artículo de ángulo de Flippin-Lodge ). [6] [se necesita fuente no primaria ]
En términos prácticos, 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 inducción asimétrica durante el ataque nucleofílico en los centros de carbonilo impedidos (véanse los modelos de Cram-Felkin-Anh y Nguyen ). [5] [12] Además, los principios estereoelectrónicos que subyacen a los nucleófilos que adoptan un rango proscrito de ángulos de Bürgi-Dunitz pueden contribuir a la estabilidad conformacional de las proteínas [13] [14] y se invocan para explicar la estabilidad de conformaciones particulares de moléculas. en una hipótesis de un origen químico de la vida. [15]
Ver también
- Ángulo Flippin-Lodge
Referencias
- ^ 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. doi : 10.1107 / S0567740868002347 .
- ^ a b c d Fleming, I. (2010) Orbitales moleculares y reacciones químicas orgánicas: Edición de referencia , John Wiley & Sons, págs. 214-215.
- ^ a b Bürgi, H.-B .; Dunitz, JD; Lehn. J.-M .; Wipff, G. (1974). "Estereoquímica de las rutas de reacción en los centros de carbonilo". Tetraedro . 30 (12): 1563-1572. doi : 10.1016 / S0040-4020 (01) 90678-7 .
- ^ a b Cieplak, AS (2008) Reacciones de adición y eliminación orgánicas: Rutas de transformación de derivados de carbonilo en correlación de estructuras, vol. 1 (H.-B. Bürgi & JD Dunitz, eds.), Nueva York: John Wiley & Sons, págs. 205–302, esp. 216-218. [doi: 10.1002 / 9783527616091.ch06; ISBN 9783527616091 ]
- ^ a b 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. pag. 101, véase [1] , consultado el 9 de junio de 2014.
- ^ a b c Radisky, ES & Koshland, DE (2002), Mecanismo de canalón obstruido para inhibidores de proteasa, Proc. Natl. Acad. Sci. USA , 99 (16): 10316-10321, ver [2] , consultado el 28 de noviembre de 2014.
- ^ Hoggard, PE (2004) Parámetros del modelo de superposición angular, Struct. Vínculo. 106 , 37.
- ^ Burdett, JK (1978) Una nueva mirada a la estructura y la unión en complejos de metales de transición, Adv. Inorg. Chem. 21 , 113.
- ^ Purcell, KF & Kotz, JC (1979) Química inorgánica , Filadelfia, PA: Saunders Company. [ página necesaria ]
- ^ Lodge, EP & Heathcock, CH (1987) Los efectos estéricos, así como las energías orbitales sigma *, son importantes en la diferenciación diastereo-facial además de los aldehídos quirales, J. Am. Chem. Soc. , 109 : 3353-3361.
- ^ Ver, por ejemplo, Light, SH; Minasov, G .; Duban, M.-E. & Anderson, WF (2014) La adherencia a los principios estereoquímicos de Bürgi-Dunitz requiere reordenamientos estructurales significativos en la formación de la base de Schiff: Insights from transaldolasse complexes, Acta Crystallogr. D 70 (Pt 2): 544-52, DOI: 10.1107 / S1399004713030666, ver [3] , consultado el 10 de junio de 2014.
- ^ Gawley, RE & Aube, J. 1996, Principios de síntesis asimétrica (Serie de química orgánica tetraedro, Vo. 14), págs. 121-130, esp. págs. 127 y sig.
- ^ Bartlett, GJ; Choudhary, A .; Raines, RT; Woolfson, DN (2010). " interacciones n → π * en proteínas" . Nat. Chem. Biol . 6 (8): 615–620. doi : 10.1038 / nchembio.406 . PMC 2921280 . PMID 20622857 .
- ^ Fufezan, C. (2010). "El papel de las interacciones de Buergi-Dunitz en la estabilidad estructural de las proteínas". Las proteínas . 78 (13): 2831-2838. doi : 10.1002 / prot.22800 . PMID 20635415 . S2CID 41838636 .
- ^ 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 .