Bürgi – Dunitzův úhel - Bürgi–Dunitz angle

Bürgi – Dunitz a Flippin – Lodge úhly trajektorie přiblížení nukleofilů, a , analogicky k výškovým a azimutovým typům parametrů v nebeský (horizontální) souřadný systém. Jak v tomto nebeském souřadnicovém systému, tak v systému popisujícím nukleofil blížící se k planárnímu elektrofilu je problém jednoznačně popsat umístění bodu mimo rovinu vzhledem ke konkrétnímu bodu v rovině. V obou případech lze tedy problém řešit pomocí dvou úhlů, úhlu nadmořské výšky a úhlu azimutu. Všimněte si, že zatímco nadmořská výška v nebeských aplikacích se nejsnadněji měří jako zobrazená specifická nadmořská výška, nadmořská výška nukleofilu, , se nejsnadněji měří jako doplňkový úhel, Nu-C-O, proto jsou jeho hodnoty nejčastěji> 90 ° (viz text a další obrázek).
Přidání hydridu k formaldehydu
Odhad Bürgi – Dunitz () úhel pro tento nejjednodušší H(–) → H2C = O nukleofilní přidání.
Základní interakce HOMO-LUMO úhel v jednoduchých systémech.
(Vlevo, odjet) Zobrazen je nukleofilní útok nabitého nukleofilu (Nu), hydridového aniontu, na nenasycený trigonální střed aldehydového elektrofilu, formaldehyd (R, R '= H). Hodnota vypočítaná jako optimální pro tento systém, 107 °, je uvedena a je reprezentativní pro tupý hodnoty pozorované ve většině experimentálních chemických systémů. (Že jo) Karikatura přístupu p-typu nejvyšší obsazený molekulární orbitál (HOMO) nukleofilu, jako je chloridový iont (zelená koule), a nejnižší neobsazený molekulární orbitál (LUMO) trigonálního středu elektrofilního karbonylu formaldehydu (černá koule) uhlík, kyslík červené koule, bílé koule vodík). Pohled je téměř stranou a rozvíjející se mimoplošné zkreslení karbonylového atomu uhlíku je pro jednoduchost vynecháno.
Struktura L-metadon. Zobrazen je jeden stereoizomer metadonu, klíčové molekuly, jejíž krystaly byly studoval při vývoji konceptu úhlu BD. Všimněte si terciární amin vyčnívající vpravo dole a karbonyl (C = O) skupina ve středu struktury, která se účastní intramolekulární interakce v krystalových strukturách (po rotaci kolem jednoduchých vazeb, které je spojují, během krystalizace proces).
Struktura protopinu. Zobrazena je struktura této další klíčové molekuly, an alkaloid, jehož krystaly také byly studoval při vývoji konceptu úhlu BD. Všimněte si terciární amin ve středu molekuly, část desetičlenného kruhu a skupina C = O na kruhu naproti ní; tito také se zapojí do intramolekulární interakce povolené změnami v torzní úhly atomů kruhu.
Interakce aminu na karbonyl n → π * v protopinu s neobvykle krátkou vzdáleností N ··· C 2,555 Å a Bürgi – Dunitzovým úhlem 102 °.[1]

The Bürgi – Dunitzův úhel (Úhel BD) je jeden ze dvou úhlů, které plně definují geometrii „útoku“ (přiblížení prostřednictvím srážky) a nukleofil na trigonální nenasycené centrum v a molekula, původně karbonyl centrum v organický keton, ale nyní se rozšiřuje na aldehyd, ester, a amide karbonyly a do alkeny (olefiny) také.[2][3][4] Přesně v případě nukleofilního útoku na karbonylovou skupinu je definován jako úhel vazby Nu-CO, kde se zde používá Nu k identifikaci atomu nukleofilu, který tvoří vazbu s atomem uhlíku, C. Úhel byl pojmenován po krystalografech Hans-Beat Bürgi a Jack D. Dunitz, jeho první vyšší vyšetřovatelé. Druhý úhel definující geometrii popisuje „offset“ přístupu nukleofilu k jednomu ze dvou substituentů připojených k karbonylovému uhlíku nebo jinému elektrofilnímu centru a byl pojmenován Flippin – Lodge úhel podle Clayton Heathcock po jeho přispívajících spolupracovnících Lee A. Flippin a Eric P. Lodge.[5] Tyto úhly jsou obecně vykládány tak, že znamenají úhel změřený nebo vypočítaný pro daný systém, a nikoli historicky pozorovaný rozsah hodnot pro původní Bürgi – Dunitz aminoketony, nebo idealizovaná hodnota vypočítaná pro konkrétní systém (jako je přidání hydridu k formaldehyd, obrázek vlevo). To znamená, že úhly BD a FL systému hydrid-formadehyd vytvářejí danou dvojici hodnot, zatímco úhly pozorované pro jiné systémy se mohou v porovnání s tímto nejjednodušším chemickým systémem lišit.[2][4][6]

Úhel BD přijatý během přiblížení a nukleofil na trigonální nenasycené elektrofil záleží především na molekulární orbitální (MO) tvary a obsazení nenasyceného uhlíkového centra (např. Karbonylové centrum) a pouze sekundárně na molekulárních orbitalech nukleofilu.[2] Originál Bürgi -Dunitz měření byla série intramolekulárních amin -keton karbonylové interakce v krystalech sloučenin nesoucích obě funkční skupiny - např. metadon a protopin (obrázky vlevo a vpravo). Ty poskytly úzký rozsah hodnot úhlu BD (105 ± 5 °); odpovídající výpočty—molekulární orbitální výpočty z Typ SCF-LCAO - popisující přístup s-orbitálu hydridového aniontu (H−) na pí-systém nejjednoduššího aldehydu, formaldehydu (H2C = O), poskytla hodnotu úhlu BD 107 °.[3][není nutný primární zdroj ] Proto, Bürgi, Dunitz, a poté mnoho dalších poznamenalo, že krystalografická měření aminoketonů a výpočetní odhad pro nejjednodušší nukleofilní-elektrofilní systém byly docela blízké teoretickému ideálu, čtyřboký úhel (vnitřní úhly a čtyřstěn, 109,5 °), a tedy v souladu s geometrií považovanou za důležitou pro vývoj přechodových stavů v nukleofilních záchvatech na trigonálních centrech.[Citace je zapotřebí ]

Konvergenci pozorovaných úhlů BD lze považovat za vznikající z potřeby maximalizovat překrývání mezi nejvyšším obsazeným molekulárním orbitálem (HOMO ) nukleofilu a nejnižší neobsazené molekulární okružní dráhy (LUMO ) nenasyceného trigonálního středu elektrofilu.[2] (Viz ve srovnání související koncept anorganické chemie modelu úhlového překrytí.[7][8][9][stránka potřebná ]) V případě přidání k karbonylu je HOMO často orbitál typu p, jak je znázorněno na obrázku (např. Na amin dusík nebo halogenid anion ) a LUMO se obecně chápe jako antibonding π * molekulární orbitální kolmo k rovině obsahující ketonovou vazbu C = O a její substituenty (viz obrázek vpravo nahoře). Předpokládá se, že úhel BD pozorovaný pro nukleofilní útok se blíží úhlu, který by produkoval optimální překrytí mezi HOMO a LUMO (na základě principu snižování výsledných nových MO energií po takovém smíchání orbitalů podobné energie a symetrie od zúčastněných reaktantů) . Současně se nukleofil vyhýbá překrývání s jinými orbitaly elektrofilní skupiny, které jsou nepříznivé pro tvorbu vazby (není zřejmé z obrázku vpravo nahoře kvůli jednoduchosti R = R '= H ve formaldehydu).[Citace je zapotřebí ]

Abychom pochopili případy skutečných chemických reakcí, je pohled na střed HOMO-LUMO upraven pochopením dalších komplexních, elektrofilně specifických odpudivých a atraktivních elektrostatický a van der Waalsovy interakce které mění výškový úhel BD a ovlivňují azimutální úhel Flippin-Lodge vůči jednomu nebo druhému substituentu (viz obrázek výše).[10][není nutný primární zdroj ] Kromě toho veškerá dynamika ve hře v systému (např. Snadno se mění torzní úhly ) jsou zohledněny ve skutečných případech. (Připomeňme, BD úhlová teorie byla vyvinuta na základě „zmrazených“ interakcí v krystalech; velká část chemie obecného zájmu a použití probíhá prostřednictvím kolizí molekul, které se v roztoku rozpadají.) Navíc v omezených reakčních prostředích, jako je vazba enzymů a nanomateriálů časné důkazy naznačují, že úhly BD pro reaktivitu mohou být zcela odlišné, protože koncepty reaktivity, které předpokládají orbitální přesahy během náhodné srážky, nejsou přímo použitelné.[11][6] Například hodnota BD určená pro enzymatický štěpení amidu a serinová proteáza (subtilisin ) byl 88 °, zcela odlišný od hydridformaldehydové hodnoty 107 °; kromě toho kompilace literárních krystalografických hodnot úhlu BD pro stejnou reakci zprostředkovaných různými proteinovými katalyzátory seskupenými při 89 ± 7 ° (tj. jen mírně odsazené od přímo nad nebo pod karbonylovým uhlíkem). Současně byla hodnota FL subtilisinu 8 ° a hodnoty úhlu FL z pečlivé kompilace seskupeny při 4 ± 6 ° (tj. Jen mírně odsazené přímo za karbonylovou skupinu; viz Flippin – Lodge úhel článek).[6][není nutný primární zdroj ]

Prakticky vzato, úhly Bürgi – Dunitz a Flippin – Lodge byly ústřední pro rozvoj porozumění chirální chemická syntéza, a zejména fenoménu asymetrická indukce během nukleofilního útoku na bráněná karbonylová centra (viz Cram – Felkin – Anh a Nguyen).[5][12] Stereoelektronické principy, které jsou základem nukleofilů využívajících zakázaný rozsah Bürgi-Dunitzových úhlů, mohou také přispívat ke konformační stabilitě proteinů[13][14] a jsou použity k vysvětlení stability konkrétních konformací molekul v jedné hypotéze chemického původu života.[15]

Viz také

Reference

  1. ^ Hall, S. R .; Ahmed, F. R. (1968). „Krystalová struktura protopinu, C20H19Ó5N “. Acta Cryst. B. 24: 337–346. doi:10.1107 / S0567740868002347.
  2. ^ A b C d Fleming, I. (2010) Molecular Orbitals and Organic Chemical Reactions: Reference Edition, John Wiley & Sons, str. 214–215.
  3. ^ A b Bürgi, H.-B .; Dunitz, J.D .; Lehn. J.-M .; Wipff, G. (1974). "Stereochemie reakčních cest v karbonylových centrech". Čtyřstěn. 30 (12): 1563–1572. doi:10.1016 / S0040-4020 (01) 90678-7.
  4. ^ A b Cieplak, A.S. (2008) Organické adiční a eliminační reakce: Transformační cesty karbonylových derivátů v Structure Correlation, sv. 1 (H.-B. Bürgi & J.D. Dunitz, eds.), New York: John Wiley & Sons, str. 205–302, zejm. 216-218. [doi: 10,1002 / 9783527616091.ch06; ISBN  9783527616091 ]
  5. ^ A b Heathcock, C.H. (1990) Porozumění a řízení diastereofaciální selektivity v reakcích vytvářejících vazby uhlík-uhlík, Aldrichimica Acta 23(4): 94-111, zejm. p. 101, viz [1], zpřístupněno 9. června 2014.
  6. ^ A b C Radisky, E.S. & Koshland, D.E. (2002), Ucpaný okapový mechanismus pro inhibitory proteázy, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 99(16): 10316-10321, viz [2], zpřístupněno 28. listopadu 2014.
  7. ^ Hoggard, P.E. (2004) Parametry modelu úhlového překrytí, Struct. Pouto. 106, 37.
  8. ^ Burdett, J.K. (1978) Nový pohled na strukturu a vazbu v komplexech přechodových kovů, Adv. Inorg. Chem. 21, 113.
  9. ^ Purcell, K.F. & Kotz, J.C. (1979) Anorganická chemie, Philadelphia, PA: Saunders Company.[stránka potřebná ]
  10. ^ Lodge, E.P. & Heathcock, C.H. (1987) Sterické účinky, stejně jako sigma * -orbitální energie, jsou důležité v diastereofaciální diferenciaci kromě chirálních aldehydů, J. Am. Chem. Soc., 109:3353-3361.
  11. ^ Viz například Light, S.H .; Minasov, G .; Duban, M.-E. & Anderson, W.F. (2014) Dodržování stereochemických principů Bürgi-Dunitze vyžaduje významné strukturní přestavby při tvorbě Schiffovy báze: Pohledy z komplexů transaldolasy, Acta Crystallogr. D 70(Pt 2): 544-52, DOI: 10.1107 / S1399004713030666, viz [3], přístup 10. června 2014.
  12. ^ Gawley, R.E. & Aube, J. 1996, Principles of Asymetric Synthesis (Tetrahedron Organic Chemistry Series, Vo. 14), str. 121-130, zejm. str. 127f.
  13. ^ Bartlett, G.J .; Choudhary, A .; Raines, R.T .; Woolfson, D.N. (2010). "n→π* interakce v bílkovinách ". Nat. Chem. Biol. 6 (8): 615–620. doi:10.1038 / nchembio.406. PMC  2921280. PMID  20622857.
  14. ^ Fufezan, C. (2010). „Role interakcí Buergi-Dunitz ve strukturální stabilitě proteinů“. Proteiny. 78 (13): 2831–2838. doi:10,1002 / prot.22800. PMID  20635415.
  15. ^ Choudhary, A .; Kamer, K.J .; Powner, M.W .; Sutherland, J.D .; Raines, R.T. (2010). „Stereoelektronický účinek v syntéze prebiotických nukleotidů“. ACS Chem. Biol. 5 (7): 655–657. doi:10,1021 / cb100093g. PMC  2912435. PMID  20499895.