Pi-Stacking (química)
En química , el apilamiento pi (también llamado apilamiento π – π ) se refiere a interacciones atractivas no covalentes entre anillos aromáticos , ya que contienen enlaces pi . Estas interacciones son importantes en el apilamiento de nucleobase dentro de las moléculas de ADN y ARN , el plegamiento de proteínas , la síntesis dirigida por plantillas , la ciencia de los materiales y el reconocimiento molecular , aunque algunas investigaciones [1]sugiere que el apilamiento pi puede no ser operativo en algunas de estas aplicaciones. A pesar del intenso interés experimental y teórico, no existe una descripción unificada de los factores que contribuyen a las interacciones de apilamiento de pi.
El dímero de benceno es el sistema prototípico para el estudio del apilamiento de pi, y está unido experimentalmente por 8-12 kJ / mol (2-3 kcal / mol) en la fase gaseosa con una separación de 4.96 Å entre los centros de masa para el Dímero en forma de T. La pequeña energía de enlace hace que el dímero de benceno sea difícil de estudiar experimentalmente, y el dímero en sí solo es estable a bajas temperaturas y es propenso a agruparse. [2]
Otra evidencia para apilamiento pi viene de determinación de la estructura cristalina de rayos X . Se pueden observar configuraciones paralelas perpendiculares y desplazadas en las estructuras cristalinas de muchos compuestos aromáticos simples. [2] Se observaron geometrías paralelas o perpendiculares compensadas similares en un estudio de estructuras cristalinas de proteínas de rayos X de alta resolución en el Protein Data Bank . [3] El análisis de los aminoácidos aromáticos fenilalanina, tirosina, histidina y triptófano indica que los dímeros de estas cadenas laterales tienen muchas interacciones estabilizadoras posibles a distancias mayores que los radios de van der Waals promedio. [4]
Las geometrías preferidas del dímero de benceno se han modelado a un alto nivel teórico con cálculos MP2-R12 / A y conjuntos de bases aug-cc-PVTZ corregidos por contrapeso muy grandes. [2] Las dos conformaciones más estables son la paralela desplazada y la en forma de T, que son esencialmente isoenergéticas. Por el contrario, la configuración sándwich maximiza la superposición del sistema pi, lo que desestabiliza la interacción. La configuración sándwich representa un punto de apoyo energético, que es consistente con la relativa rareza de esta configuración en los datos de cristal de rayos X.
Las energías de unión relativas de estas tres configuraciones geométricas del dímero de benceno pueden explicarse por un equilibrio de cuadripolo / cuadrupolo y fuerzas de dispersión de London . Si bien el benceno no tiene un momento dipolar, tiene un fuerte momento cuadrupolo . [5] El dipolo C – H local significa que hay una carga positiva en los átomos del anillo y una carga correspondientemente negativa que representa una nube de electrones por encima y por debajo del anillo. El momento del cuadrupolo se invierte para el hexafluorobencenodebido a la electronegatividad del flúor. El dímero de benceno en la configuración sándwich está estabilizado por las fuerzas de dispersión de London pero desestabilizado por las interacciones repulsivas cuadrupolo / cuadrupolo. Al compensar uno de los anillos de benceno, la configuración desplazada en paralelo reduce estas interacciones repulsivas y se estabiliza. La gran polarización de los anillos aromáticos conduce a interacciones dispersivas como una contribución importante a los efectos de apilamiento. Estos juegan un papel importante para las interacciones de nucleobases, por ejemplo, en el ADN . [6] La configuración en forma de T disfruta de interacciones favorables cuadrupolo / cuadrupolo, ya que el cuadrupolo positivo de un anillo de benceno interactúa con el cuadrupolo negativo del otro. Los anillos de benceno están más separados en esta configuración, por lo que las interacciones favorables cuadrupolo / cuadrupolo compensan evidentemente las fuerzas de dispersión disminuidas .
La capacidad de ajustar las interacciones de apilamiento de pi sería útil en numerosos esfuerzos sintéticos. Un ejemplo sería aumentar la afinidad de unión de un inhibidor de molécula pequeña a una bolsa de enzima que contiene residuos aromáticos. Los efectos de los heteroátomos [3] y los sustituyentes en las interacciones de apilamiento de pi son difíciles de modelar y un tema de debate.
