Ángulo de Bürgi-Dunitz

El ángulo de Bürgi-Dunitz (ángulo BD) es uno de los dos ángulos que definen completamente la geometría del "ataque" (aproximación por colisión) de un nucleófilo en un centro trigonal insaturado en una molécula, originalmente el centro carbonilo en una cetona orgánica, pero ahora extendiéndose a carbonilos de aldehído, éster y amida, y también a alquenos (olefinas). El ángulo lleva el nombre de 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 carbonilo impedidos (véanse los modelos Cram-Felkin-Anh y Nguyen).

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 y se invocan para explicar la estabilidad de conformaciones particulares de moléculas en una hipótesis de un origen químico de la vida.

Definición

En la adición de un ataque nucleófilo (Nu) a un carbonilo, el ángulo de Bürgi-Dunitz (BD) se define como el ángulo de enlace Nu-CO. El ángulo BD adoptado durante la aproximación de un nucleófilo a un electrófilo trigonal insaturado depende principalmente de las formas de los orbitales moleculares (OM) y de las ocupaciones del centro de carbono insaturado (p. ej., el centro del carbonilo), y solo secundariamente 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 carbonilo u otro centro electrofílico, y se denominó Flippin-Lodge (FL) ángulo de Clayton Heathcock después de sus colaboradores colaboradores Lee A. Flippin y Eric P. Lodge.

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

Medición

Las mediciones originales de Bürgi-Dunitz fueron de una serie de interacciones intramoleculares de amina-cetona carbonilo, en cristales de compuestos que tenían 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 una Valor del ángulo BD de 107°.

Por lo tanto, Bürgi, Dunitz y, posteriormente, muchos otros observaron que las medidas 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 tan consistente con una geometría que se entiende que es importante para desarrollar estados de transición en ataques nucleofílicos en centros trigonales.

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

En la estructura de 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 rotar alrededor los enlaces simples que los unen, 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.

Teoría

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 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 (p. ej., en un nitrógeno de amina o un anión haluro), y el LUMO generalmente se entiende como 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 la 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 electrofílico que son desfavorables para la formación de enlaces (no aparente en la imagen de la derecha, arriba, debido a la simplicidad de R=R'

Complicaciones

Interacciones electrostáticas y de Van der Waals

Para comprender casos de reacciones químicas reales, la vista centrada en HOMO-LUMO se modifica mediante la comprensión de interacciones electroestáticas y de Van der Waals repulsivas y atractivas más complejas y específicas de electrófilos que alteran el ángulo BD altitudinal y sesgan el ángulo azimutal de Flippin-Lodge. hacia uno u otro sustituyente (ver gráfico arriba).

Dinámica lineal y rotacional

La teoría del ángulo BD se desarrolló en base a interacciones "congeladas" en cristales donde los impactos de la dinámica en juego en el sistema (p. ej., ángulos de torsión que cambian fácilmente) pueden ser insignificantes. Sin embargo, gran parte de la química de interés y uso general tiene lugar a través de colisiones de moléculas que giran 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 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 colisiones aleatorias no son directamente aplicables.

Por ejemplo, el valor de 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, compilación de valores de ángulo BD cristalográficos de la literatura para la misma reacción mediada por diferentes catalizadores de proteínas agrupados en 89 ± 7° (es decir, solo ligeramente desplazados directamente por encima o por debajo del carbono del carbonilo). Al mismo tiempo, el valor FL de la 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).