El ángulo de Bürgi-Dunitz (ángulo BD) es uno de los dos ángulos que definen completamente la geometría de "ataque" (aproximación mediante colisión) de un nucleófilo a un centro trigonal insaturado en una molécula , originalmente el centro carbonilo en una cetona orgánica , pero extendiéndose ahora a aldehídos , ésteres y amidas carbonilos, y también a alquenos (olefinas). [1] [2] [3] El ángulo lleva el nombre de los cristalógrafos Hans-Beat Bürgi y Jack D. Dunitz , sus primeros investigadores senior.
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 en los centros carbonílicos obstaculizados (ver Cram-Felkin-Anh y Nguyen [ aclaración necesaria ] modelos). [4] [5]
Además, los principios estereoelectrónicos que subyacen a los nucleófilos que adoptan un rango prohibido 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 de origen químico. de vida . [8]
En la adición de un ataque de nucleófilo (Nu) a un carbonilo, el ángulo BD se define como el ángulo del enlace Nu-CO. El ángulo BD adoptado durante el acercamiento 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 carbonilo), y sólo 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 carbonilo u otro centro electrófilo, y fue denominado ángulo Flippin-Lodge ( Ángulo FL) de 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 determinado, y no el rango de valores históricamente observado para las aminocetonas originales de Bürgi-Dunitz, o un valor idealizado calculado para un sistema particular (como la adición de hidruro al 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 este sistema químico más simple. [1] [3] [9]
Las mediciones originales de Bürgi-Dunitz fueron de una serie de interacciones intramoleculares amina - cetona carbonilo, en cristales de compuestos que portaban ambas funcionalidades, por ejemplo, metadona y protopina . Estos dieron un rango estrecho de valores de ángulo BD (105 ± 5°); Los cálculos correspondientes ( cálculos de orbitales moleculares del tipo SCF-LCAO) que describen la aproximación del orbital s de un anión hidruro (H − ) al sistema pi del aldehído más simple, el formaldehído (H 2 C = O), dieron como resultado un valor de ángulo BD de 107°. [2] [ se necesita fuente no primaria ]
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 consistente con una geometría que se entiende que es importante para desarrollar estados de transición en ataques nucleofílicos en centros trigonales. [ cita necesaria ]
En la estructura de la L -metadona (arriba, izquierda), 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 los enlaces simples que los conectan, durante el proceso de cristalización ).
De manera similar, en la estructura de la protopina (arriba, centro), observe la amina terciaria en el centro de la molécula, parte de un anillo de diez miembros, y el grupo C=O opuesto en el anillo; estos participan en una interacción intramolecular permitida por cambios en los ángulos de torsión de los átomos del anillo.
Se puede considerar que la convergencia de los ángulos BD observados surge 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. [1] (Ver, en comparación, el concepto de química inorgánica relacionado del modelo de superposición angular. [11] [12] [13] [ página necesaria ] )
En el caso de la adición a un carbonilo, el HOMO es a menudo un orbital de tipo p (por ejemplo, en un nitrógeno de amina o un anión haluro ), y generalmente se entiende que el LUMO es el orbital molecular antienlazante π* perpendicular al plano que contiene el enlace cetona C=O y sus sustituyentes (ver figura arriba a la derecha). Se cree que el ángulo BD observado para el ataque nucleofílico se acerca al ángulo que produciría una superposición óptima entre HOMO y LUMO (basado en el principio de la disminución de las nuevas energías orbitales moleculares resultantes después de 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 de enlaces (no evidente en la imagen de la derecha, arriba, debido a la simplicidad de R=R'=H en formaldehído). [ cita necesaria ]
Para comprender casos de reacciones químicas reales, la visión centrada en HOMO-LUMO se modifica mediante la comprensión de otras interacciones electrostáticas y de Van der Waals , repulsivas y atractivas, complejas, específicas de electrófilos , que alteran el ángulo BD altitudinal y sesgan el ángulo azimutal de Flippin-Lodge. hacia un sustituyente u otro (ver gráfico arriba). [14] [ se necesita fuente no primaria ]
La teoría del ángulo BD se desarrolló basándose en interacciones "congeladas" en cristales donde los impactos de la dinámica en juego en el sistema (por ejemplo, ángulos de torsión que se cambian fácilmente ) pueden ser insignificantes. Sin embargo, gran parte de la química de interés y uso general se lleva a cabo mediante colisiones de moléculas que giran en solución ; en consecuencia, en tales casos se tiene en cuenta la dinámica.
Además, en entornos de reacción restringidos, como en los sitios de unión de enzimas y nanomateriales, la evidencia preliminar sugiere que los ángulos BD para la reactividad pueden ser bastante distintos, ya que los conceptos de reactividad que suponen superposiciones orbitales durante una colisión aleatoria no son directamente aplicables. [15] [9]
Por ejemplo, el valor BD determinado para la escisión enzimática de una amida mediante una serina proteasa ( subtilisina ) fue de 88°, bastante distinto del valor de hidruro-formaldehído de 107°; Además, la compilación de los valores de ángulo BD cristalográficos de la literatura para la misma reacción mediada por diferentes catalizadores proteicos agrupados a 89 ± 7° (es decir, sólo ligeramente desplazados directamente por encima o por debajo del carbono carbonilo). Al mismo tiempo, el valor FL de subtilisina fue de 8°, y los valores del ángulo FL de la compilación cuidadosa se agruparon en 4 ± 6° (es decir, solo ligeramente desplazados directamente detrás del carbonilo; consulte el artículo sobre el ángulo Flippin-Lodge ). [9] [ se necesita fuente no primaria ]
