Ángulo Bürgi-Dunitz

Ángulos de trayectoria de aproximación de nucleófilos de Bürgi–Dunitz y Flippin–Lodge , y , análogos 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 aproxima a un electrófilo planar, el problema es 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 se puede abordar utilizando dos ángulos, un ángulo de tipo altitud y un ángulo de tipo acimut. Tenga en cuenta que, si bien la elevación en aplicaciones celestes se mide más fácilmente como la altitud específica que se muestra, la elevación del nucleófilo, , se mide más fácilmente como el ángulo suplementario , Nu-CO, por lo que sus valores son más a menudo >90° (ver texto y siguiente imagen). ${\displaystyle \alpha _{BD}}$ ${\displaystyle \alpha _{FL}}$ ${\displaystyle \alpha _{BD}}$

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 insaturado trigonal en una molécula , originalmente el centro carbonílico en una cetona orgánica , pero que ahora se extiende a los carbonilos de aldehído , éster y amida , y también a los 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 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 la inducción asimétrica durante el ataque nucleofílico en centros carbonílicos impedidos (ver los modelos de Cram–Felkin–Anh y Nguyen ^{[ aclaración necesaria ]} ). ^{[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 de 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 un acercamiento de un nucleófilo a un electrófilo insaturado trigonal depende principalmente de las formas y ocupaciones de los orbitales moleculares (OM) del centro de carbono insaturado (por ejemplo, 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 electrofílico, y Clayton Heathcock lo denominó ángulo Flippin-Lodge (ángulo FL) en honor a sus colaboradores Lee A. Flippin y Eric P. Lodge. ^[4]

Estos ángulos se interpretan generalmente como el ángulo medido o calculado para un sistema dado, y no el rango de valores observado históricamente para las aminocetonas originales de Bürgi-Dunitz, o un valor idealizado calculado para un sistema particular (como la adición de hidruro a formaldehído , imagen de la izquierda). Es decir, los ángulos BD y FL del sistema hidruro-formaldehído 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]}

Medición

Las mediciones originales de Bürgi-Dunitz fueron de una serie de interacciones intramoleculares de carbonilo de amina y cetona , en cristales de compuestos que tienen ambas funcionalidades, por ejemplo, metadona y protopina . Estas arrojaron 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), arrojaron un valor de ángulo BD de 107°. ^{[2] [ fuente no primaria necesaria ]}

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 entendía como importante para desarrollar estados de transición en ataques nucleofílicos en centros trigonales. ^{[ cita requerida ]}

• 
  Estructura de la L - metadona , una molécula clave cuyos cristales fueron estudiados en el desarrollo del concepto del ángulo BD.
• 
  Estructura de la protopina , un alcaloide , cuyos cristales también fueron estudiados en el desarrollo del concepto de ángulo BD.
• 
  La interacción n→π* de amina a carbonilo en protopina con una distancia N···C inusualmente corta de 2,555 Å y un ángulo de Bürgi–Dunitz de 102°. ^[10]

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 de los enlaces simples que los conectan, durante el proceso de cristalización ).

De manera similar, en la estructura de la protopina (arriba, en el centro), observe la amina terciaria en el centro de la molécula, parte de un anillo de diez miembros, y el grupo C=O opuesto a ella en el anillo; estos participan en una interacción intramolecular permitida por cambios en los ángulos de torsión de los átomos del anillo.

Teoría

Adición de hidruro al formaldehído

(Izquierda) Se muestra el ataque nucleofílico del nucleófilo cargado (Nu), el anión hidruro, sobre el centro trigonal insaturado del electrófilo del aldehído, el formaldehído (R,R'=H). Se indica el valor calculado como óptimo para este sistema, 107°, y es representativo de los valores obtusos observados en la mayoría de los sistemas químicos experimentales.
(Derecha) Dibujo de la aproximación de un orbital molecular más alto ocupado (HOMO) de tipo p de un nucleófilo como el ion cloruro (esfera verde) y el orbital molecular más bajo desocupado (LUMO) del centro trigonal de un carbonilo electrófilo del formaldehído (esfera negra carbono, esfera roja oxígeno, esferas blancas hidrógeno). La vista es casi lateral y se omite la distorsión fuera del plano que se desarrolla en el átomo de carbono del carbonilo para simplificar.

La convergencia de los ángulos BD observados puede verse como el 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. ^[1] (Véase, 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 anión haluro ), y el LUMO se entiende generalmente como el orbital molecular antienlazante π* perpendicular al plano que contiene el enlace C=O de la cetona y sus sustituyentes (véase la figura de la derecha arriba). Se cree que el ángulo BD observado para el ataque nucleofílico se aproxima al ángulo que produciría una superposición óptima entre HOMO y LUMO (basándose en el principio de la reducción 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 del R=R'=H en formaldehído). ^{[ cita requerida ]}

Complicaciones

Interacciones electrostáticas y de Van der Waals.

Para comprender los casos de reacciones químicas reales, la visión centrada en HOMO-LUMO se modifica mediante la comprensión de interacciones electrostáticas y de Van der Waals repulsivas y atractivas específicas de electrófilos más complejas que alteran el ángulo BD altitudinal y sesgan el ángulo Flippin-Lodge azimutal hacia un sustituyente u otro (ver el gráfico anterior). ^{[14] [ fuente no primaria necesaria ]}

Dinámica lineal y rotacional

La teoría del ángulo BD se desarrolló a partir de interacciones "congeladas" en cristales donde los impactos de la dinámica en juego en el sistema (por ejemplo, ángulos de torsión que 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 se mueven en solución ; en consecuencia, la dinámica se tiene en cuenta en tales casos.

Entornos restringidos en enzimas y nanomateriales

Además, en entornos de reacción restringidos, como en 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 por una serina proteasa ( subtilisina ) fue 88°, bastante distinto del valor de hidruro-formaldehído de 107°; además, la recopilación de valores del ángulo BD cristalográfico de la literatura para la misma reacción mediada por diferentes catalizadores proteicos se agrupó en 89 ± 7° (es decir, solo ligeramente desplazados desde directamente arriba o debajo del carbono carbonílico). Al mismo tiempo, el valor FL de la subtilisina fue 8°, y los valores del ángulo FL de la recopilación cuidadosa se agruparon en 4 ± 6° (es decir, solo ligeramente desplazados desde directamente detrás del carbonilo; consulte el artículo sobre el ángulo Flippin–Lodge ). ^{[9] [ se necesita una fuente no primaria ]}

Véase también

• Ángulo Flippin-Lodge

Referencias

1. Fleming, I. (2010) Orbitales moleculares y reacciones químicas orgánicas: edición de referencia , John Wiley & Sons, págs. 214–215.
2. Bürgi, H.-B.; Dunitz, JD; Lehn. J.-M.; Wipff, G. (1974). "Estereoquímica de las vías de reacción en los centros carbonílicos". Tetrahedron . 30 (12): 1563–1572. doi :10.1016/S0040-4020(01)90678-7.
3. Cieplak, AS (2008) Reacciones de adición y eliminación orgánicas: vías de transformación de derivados carbonílicos En Structure Correlation, Vol. 1 (H.-B. Bürgi y JD Dunitz, eds.), Nueva York: John Wiley & Sons, págs. 205-302, esp. 216-218. [doi:10.1002/9783527616091.ch06; ISBN 9783527616091 ] 
4. 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. p. 101, ver [1], consultado el 9 de junio de 2014.
5. Gawley, RE y Aube, J. 1996, Principios de síntesis asimétrica (Tetrahedron Organic Chemistry Series, 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. Chem. 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. Radisky, ES y Koshland, DE (2002), Un mecanismo de canalización obstruido para inhibidores de proteasa, Proc. Natl. Acad. Sci. USA , 99 (16):10316-10321, véase [2], consultado el 28 de noviembre de 2014.
10. 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.
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. ^{[ página necesaria ]}
14. Lodge, EP y Heathcock, CH (1987) Los efectos estéricos, así como las energías de los orbitales sigma*, son importantes en la diferenciación diastereofacial además de los aldehídos quirales, J. Am. Chem. Soc. , 109 :3353-3361.
15. Véase, por ejemplo, Light, SH; Minasov, G.; Duban, M.-E. y Anderson, WF (2014) La adherencia a los principios estereoquímicos de Bürgi-Dunitz requiere reordenamientos estructurales significativos en la formación de bases de Schiff: perspectivas a partir de complejos de transaldolasa, Acta Crystallogr. D 70 (Pt 2):544-52, DOI: 10.1107/S1399004713030666, véase [3], consultado el 10 de junio de 2014.