Ángulo Bürgi-Dunitz

El ángulo de Bürgi–Dunitz (ángulo BD) es uno de los dos ángulos que definen por completo la geometría de "ataque" (aproximación por colisión) de un nucleófilo a 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). 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 los centros carbonílicos impedidos (véanse los modelos de Cram–Felkin–Anh y Nguyen).

Además, los principios estereoelectrónicos que sustentan la adopción por parte de los nucleófilos de un rango determinado de ángulos de Bürgi-Dunitz pueden contribuir a la estabilidad conformacional de las proteínas y se invocan para explicar la estabilidad de conformaciones particulares de moléculas en una hipótesis sobre el origen químico de la vida.

En la adición de un ataque nucleófilo (Nu) a un carbonilo, el ángulo BD se define como el ángulo de enlace Nu-C-O. El ángulo BD adoptado durante la aproximación de un nucleófilo a un electrófilo insaturado trigonal depende principalmente de las formas de los orbitales moleculares (OM) y de las ocupaciones del centro de carbono insaturado (por ejemplo, el centro carbonílico), y solo en segundo lugar de los orbitales moleculares del nucleófilo.

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.

Estos ángulos se interpretan generalmente como el ángulo medido o calculado para un sistema determinado, 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 determinado, mientras que los ángulos observados para otros sistemas pueden variar en relación con este sistema químico más simple.

Las mediciones originales de Bürgi-Dunitz se realizaron en una serie de interacciones intramoleculares de carbonilos de aminas y cetonas en cristales de compuestos que tenían ambas funcionalidades (por ejemplo, metadona y protopina). Estas mediciones 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 (H₂C=O), dieron un valor de ángulo BD de 107°.

Por lo tanto, Bürgi, Dunitz y muchos otros posteriormente 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.

En la estructura de la L-metadona (arriba, izquierda), nótese 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), nótese 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.

Hydride addition to formaldehyde

Estimación de Bürgi–Dunitz${\displaystyle \alpha _{BD}$) ángulo para este más simple H^(–) → H₂C=O nucleo-philic addition.

Interacción HOMO-LUMO subyacente ${\displaystyle \alpha _{BD}$ ángulo en sistemas simples.

(Left) Shown es ataque nucleófilo por el núcleo cargado (Nu), anión de hidrato, en el centro trigonal insaturado del electrofilo de aldehído, formaldehído (R,R'=H). El valor calculado como óptimo para este sistema, se indica 107°, y es representativo de los valores obtusos observados en la mayoría de los sistemas químicos experimentales.
(Derecho) Caricatura del enfoque de un tipo p orbital molecular ocupado más alto (HOMO) de un nucleófilo como el cloruro ion (esfera verde), y el orbital molecular no ocupado más bajo (LUMO) del centro trigonal de un carbonilo electrofílico de formaldehído (carbono de esfera negra, oxígeno de esfera roja, esferas blancas hidrógeno). La vista está casi al lado, y la distorsión del átomo de carbono se omite para la simplicidad.

La convergencia de los ángulos BD observados puede considerarse 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 no saturado del electrófilo. (Véase, en comparación, el concepto de química inorgánica relacionado del modelo de superposición angular).

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 el HOMO y el 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).

Para comprender 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).

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; por lo tanto, en tales casos se tiene en cuenta la dinámica.

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.

Por ejemplo, el valor 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, 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, sólo ligeramente desplazados con respecto a directamente por encima o por debajo del carbono carbonílico). Al mismo tiempo, el valor FL de la subtilisina fue de 8°, y los valores del ángulo FL de la recopilación cuidadosa se agruparon en 4 ± 6° (es decir, sólo ligeramente desplazados con respecto a directamente detrás del carbonilo; consulte el artículo sobre el ángulo Flippin–Lodge).

• Flippin – Ángulo de ubicación