Apilamiento Pi (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 nucleobases 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 estar 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 ligado 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 del apilamiento de pi proviene de la determinación de la estructura cristalina de rayos X. Se pueden observar configuraciones perpendiculares y paralelas 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 Banco de datos de proteínas . [3] El análisis de los aminoácidos aromáticos fenilalanina, tirosina, histidina y triptófano indica que los dímeros de estas cadenas laterales tienen muchas posibles interacciones estabilizadoras a distancias mayores que los radios promedio de van der Waals. [4]
Las geometrías preferidas del dímero de benceno se han modelado en un alto nivel de teoría con cálculos MP2-R12/A y conjuntos de base 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 de sándwich representa un punto de silla energético, lo que es consistente con la rareza relativa de esta configuración en los datos de cristal de rayos X.
Las energías de enlace relativas de estas tres configuraciones geométricas del dímero de benceno pueden explicarse mediante un equilibrio de fuerzas de dispersión de Londres y cuadrupolo/cuadrupolo . Mientras que el benceno no tiene un momento dipolar, tiene un fuerte momento cuadripolar . [5] El dipolo C–H local significa que hay carga positiva en los átomos del anillo y una carga negativa correspondiente que representa una nube de electrones por encima y por debajo del anillo. El momento cuadripolar se invierte para el hexafluorobenceno.debido 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 interacciones repulsivas cuadrupolo/cuadrupolo. Al compensar uno de los anillos de benceno, la configuración paralela desplazada reduce estas interacciones repulsivas y se estabiliza. La gran polarizabilidad de los anillos aromáticos conduce a interacciones dispersivas como principal contribución a los efectos de apilamiento. Estos juegan un papel importante en las interacciones de las nucleobases, por ejemplo, en el ADN . [6] La configuración en forma de T disfruta de interacciones cuadrupolo/cuadrupolo favorables, 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 evidentemente compensan las fuerzas de dispersión disminuidas .
La capacidad de ajustar con precisión 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 un bolsillo 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.
