Flippin – Lodge úhel - Flippin–Lodge angle

Flippin – Lodge a Bürgi – Dunitz úhly trajektorie přiblížení nukleofilů, ${displaystyle alpha _ {FL}}$ a ${displaystyle alpha _ {BD}}$, analogicky k azimutu a výškovým parametrům v nebeský (horizontální) souřadný systém.

Flippin – Lodge úhel, ${displaystyle alpha _ {FL}}$, pro nukleofilní „útok“ (přidání) při a karbonyl -obsahující elektrofil, v Newmanova projekce s elektrofilní rovinou jsem se díval z boku.^[1]

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 (zde letadlo I, letadlo obsahující karbonyl a jeho R a R ' substituenty, podobně jako u jiných elektrofilů). V obou případech lze tedy problém řešit pomocí dvou úhlů, úhlu nadmořské výšky a úhlu azimutu. (Třetí složka popisu je stereochemický, tj. indikující, zda je přístup shora nebo pod elektrofilní rovinou, viz níže.)

Nucelofil (atom nebo skupina) je zde znázorněn jako : Nu. Substituenty, R a R ', připojený k atomu uhlíku karbonyl skupina může být atom, jako je vodík (H), alkylové skupiny jako methyl, ethyl atd. (včetně mnohem složitějších) nebo jiné funkční skupiny jako jsou O- a N-obsahující skupiny estery a amidy. V obou panelech druhá rovina, letadlo II (červená), je definována jako ortogonální (kolmo) na první, obsahující atomy uhlíku a kyslíku karbonyl, C = O, a půlení the R—•—R ' úhel (kde „•“ je atom uhlíku). Třetí rovina, vzájemně kolmá k prvním dvěma, letadlo III (zelená), obsahuje pouze atom uhlíku karbonylu; odpovídá rovině stránky v Newmanově projekci vpravo. V této projekci vektor (šipka) směřující z: Nu na uhlík karbonylu se zrcadlí přes rovinu I, aby bylo jasné, že nukleofil se může přiblížit buď nad nebo pod touto rovinou (s výslednými rozdíly ve stereochemii reakčních produktů, viz text). Tečkovaná čára od: Nu do roviny I označuje výpočetní proces matematicky promítat geometrický bod představující: Nu na rovinu I, což je někdy nezbytná matematická operace (viz text).

Všimněte si, kvůli jasnosti prezentace na obrázku vlevo, nukleofilní a azimutální úhel, ${displaystyle alpha _ {FL}}$,, jsou zobrazeny jako posunuté směrem k substrátu R, zatímco v Newmanově projekci je opak. V tomto článku je substituent R libovolně přiřazen více stericky objemný skupina, a tak je posun znázorněný vpravo nejreprezentativnější pro jevy popsané v celém textu. Všimněte si také, že zatímco výška v nebeských aplikacích se nejsnadněji měří jako zobrazená konkrétní výška, výška nukleofilu, ${displaystyle alpha _ {BD}}$, se nejsnadněji měří jako doplňkový úhel, Nu-C-O, proto jsou jeho hodnoty nejčastěji> 90 ° (viz text).

The Flippin – Lodge úhel je jeden ze dvou úhlů, které používá organický a biologičtí chemici studium vztahu mezi molekulami chemická struktura a způsoby, jak to reaguje, pro reakce zahrnující „útok“ elektronově bohatého reagujícího druhu, nukleofil, na elektronově chudé reagující druhy, elektrofil. Konkrétně úhly - Bürgi – Dunitz, ${displaystyle alpha _ {BD}}$a Flippin – Lodge, ${displaystyle alpha _ {FL}}$—Popsat „trajektorii“ nebo „úhel náběhu“ nukleofilu, jak se přibližuje k elektrofilu, zejména pokud je rovinný ve tvaru. Tomu se říká a nukleofilní adice reakce a hraje ústřední roli v biologická chemie odehrávající se v mnoha biosyntézy v přírodě a je ústředním „nástrojem“ v sadě reakčních nástrojů moderní organické chemie, např. pro konstrukci nových molekul, jako jsou léčiva. Teorie a použití těchto úhlů spadá do oblastí syntetický a fyzikální organická chemie, která se zabývá chemická struktura a mechanismus reakce, a v rámci dílčí specializace zvané strukturní korelace.

Protože chemické reakce probíhají v tři rozměry, jejich kvantitativní popis je částečně a geometrie problém. Dva úhly, nejprve úhel Bürgi – Dunitz, ${displaystyle alpha _ {BD}}$a později úhel Flippin – Lodge, ${displaystyle alpha _ {FL}}$, byly vyvinuty k popisu přístupu reaktivních atom nukleofilu (bod mimo rovinu) na reaktivní atom elektrofilu (bod v rovině). The ${displaystyle alpha _ {FL}}$ je úhel, který odhaduje posunutí nukleofilu v jeho výšce směrem k nebo od konkrétního R a R ' substituenty připojené k elektrofilnímu atomu (viz obrázek). The ${displaystyle alpha _ {BD}}$ je úhel mezi přibližovacím vektorem spojujícím tyto dva atomy a rovinou obsahující elektrofil (viz Bürgi – Dunitz článek). Reakce řešené pomocí těchto konceptů úhlů používají nukleofily v rozmezí od jednotlivých atomů (např. Chlorid anion, Cl^– ) a polární organická funkční skupiny (např., primární aminy, R "-NH₂), do komplexu chirální katalyzátor reakční systémy a enzym aktivní stránky. Tyto nukleofily lze spárovat s řadou planárních elektrofilů: aldehydy a ketony, deriváty karboxylových kyselin a dvojné vazby uhlík-uhlík z alkeny. Studie z ${displaystyle alpha _ {BD}}$ a ${displaystyle alpha _ {FL}}$ může být teoretický, založený na výpočty, nebo experimentální (buď kvantitativní, založené na Rentgenová krystalografie nebo odvozené a semikvantitativní, racionalizující výsledky konkrétních chemických reakcí) nebo jejich kombinace.

Nejvýznamnější aplikace a dopad úhlu Flippin – Lodge byla v oblasti chemie, kde byla původně definována: v praxi syntetický studie výsledku reakcí tvořících vazbu uhlík-uhlík v roztoku. Důležitým příkladem je aldolová reakce např. přidání nukleofilů odvozených od ketonu (enoly, enoláty ), na elektrofilní aldehydy které mají připojené skupiny různé velikosti a polarity. Obzvláště zajímavé vzhledem k trojrozměrný povahou konceptu je porozumění tomu, jak kombinované vlastnosti na nukleofile a elektrofile ovlivňují stereochemie výsledků reakce (tj. „předání“ nového chirální centra vytvořená reakcí). Studie využívající úhly Flippin-Lodge v syntetické chemii zlepšily schopnost chemiků předpovídat výsledky známých reakcí a navrhovat lepší reakce za vzniku konkrétních stereoizomerů (enantiomery a diastereomery ) potřebné při konstrukci složitých přírodních produktů a léčiv.

Technický úvod

Úhel Flippin – Lodge (FL), ${displaystyle alpha _ {FL}}$ je druhý odvozený ze dvou úhlů, které plně definují geometrii "útoku" (přiblížení pomocí srážky) a nukleofil na trigonální nenasycené střed an elektrofilní molekula (druhým je úhel Bürgi – Dunitz, ${displaystyle alpha _ {BD}}$, viz. níže).^[2][3] Teorie a aplikace těchto úhlů spadá do oblasti syntetický a fyzikální organická chemie (ve specializacích chemická struktura a mechanismus reakce ), v druhém případě, v rámci subspeciality zvané strukturní korelace.^[4] Studie z ${displaystyle alpha _ {FL}}$ a ${displaystyle alpha _ {BD}}$ může být teoretický, založený na výpočty, nebo experimentální (buď kvantitativní, založené na Rentgenová krystalografie nebo odvozené a semikvantitativní, racionalizující výsledky konkrétních chemických reakcí) nebo jejich kombinace.^[2][3][4]

Nukleofily v tom adiční reakce se může pohybovat od jednotlivých atomů (hydrid, chlorid ), na polární organickou funkční skupiny (aminy, alkoholy ), na komplexní systémy (nukleofilní enoláty s chirální katalyzátory, aminokyselina boční řetězy v enzym aktivní stránky; viz. níže). Rovinné elektrofily zahrnují aldehydy a ketony, karboxylová kyselina - deriváty jako např estery, a amidy a zejména dvojné vazby uhlík-uhlík alkeny (olefiny ).^[1][2] V příkladu nukleofilního útoku na karbonylovou skupinu ${displaystyle alpha _ {FL}}$ je mírou „posunu“ přístupu nukleofilu k elektrofilu směrem k jednomu nebo druhému ze dvou substituentů připojených k karbonylovému uhlíku.^[1][2][3] Relativní hodnoty úhlů pro dvojice reakcí lze odvodit a semikvantitativní na základě racionalizace produktů reakcí; alternativně, jak je uvedeno na obrázku, ${displaystyle alpha _ {FL}}$ hodnoty mohou být formálně odvozeny z krystalografických souřadnic geometrickými výpočty nebo graficky, např. po promítnutí Nu na karbonylovou rovinu a změření úhlu doplňkově k LNu'-C-O (kde Nu 'je projektovaný atom). Tento často přehlížený úhel trajektorie nukleofilu byl pojmenován Flippin-Lodge úhel o Clayton H. Heathcock po jeho přispívajících spolupracovnících Lee A. Flippin a Eric P. Lodge.^[1][3][5][6] Druhý úhel definující geometrii, tím známější Bürgi – Dunitz úhel, ${displaystyle alpha _ {BD}}$, popisuje úhel vazby Nu-C-O a byl pojmenován po krystalografech Hans-Beat Bürgi a Jack D. Dunitz, jeho první vyšší vyšetřovatelé (viz související článek ).^[7]

Úhel Flippin – Lodge byl zkrácen různě symboly φ, ψ, θ_X, a ${displaystyle alpha}$ nebo ${displaystyle alpha _ {FL}}$;^{[2][3][7][8][9][10]} druhý pár úzce spojuje úhel Flippin-Lodge s jeho sesterským úhlem, Bürgi – Dunitz, který byl původně zkrácen jako ${displaystyle alpha}$ jeho objeviteli / formulátory (viz např. Bürgi et al., 1974.^[7]). Symboly ${displaystyle alpha _ {FL}}$ a ${displaystyle alpha _ {BD}}$ zde se používají k označení konceptů a měřených hodnot Flippin-Lodge a Bürgi-Dunitz.

Úhel jako experimentálně pozorovatelný

Tyto úhly jsou nejlépe vykládány tak, že znamenají úhly pozorované (měřené) pro daný systém a ne historicky pozorovaný rozsah hodnot (např. jako v ${displaystyle alpha _ {BD}}$ rozsah původních Bürgi – Dunitz aminoketonů) nebo idealizovaná hodnota vypočítaná pro konkrétní systém (například ${displaystyle alpha _ {FL}}$ = 0 ° pro přidání hydridu k formaldehydu).^[7] Toto je ${displaystyle alpha _ {BD}}$ a ${displaystyle alpha _ {FL}}$ úhly systému hydrid-formadehyd mají jednu dvojici hodnot, zatímco úhly pozorované pro jiné systémy - kombinace nucelofilu a elektrofilu, v kombinaci s katalyzátorem a dalšími proměnnými, které definují experimentální podmínky, včetně toho, zda je reakce in solutio nebo jinak - jsou plně očekávaný (a jsou uváděny), aby se alespoň trochu lišily od teoretického, symetrického případu hydrid-formaldehyd.^[2][8][10]

A konvence pro ${displaystyle alpha _ {FL}}$ je to tak pozitivní (> 0 °), když se odchyluje ve směru:

• od většího substituentu připojený k elektrofilnímu centru, nebo
• daleko od substituentu bohatšího na elektrony (kde tyto dva a další faktory mohou být ve složité soutěži, viz níže);

tedy, jak je uvedeno, ${displaystyle alpha _ {FL}}$ pro reakci jednoduchého nukleofilu se symetricky substituovaným karbonylem (R = R 'nebo jiným symetrickým planárním elektrofilem) se očekává 0 ° ve vakuu nebo in solutionapř. jako v případě vypočítaného a experimentálního přidání hydridu (H^–) na formaldehyd (H₂C = O).^[2]

Sterické a orbitální příspěvky k jeho hodnotě

Pivaldehyd (trimethylacetaldehyd ).^[11] Příklad aldehyd s stericky objemný R skupina připojená k karbonyl,> C = O, terciární-butyl skupina (s 3 methyl skupiny, vlevo dole). Podle definice je další „skupina“, R ', atom vodíku (H), zde ukázaný směřující přímo nahoru.

Na rozdíl od úhlu Bürgi – Dunitz, ${displaystyle alpha _ {BD}}$,^[7] a za použití příkladu přidání karbonylu: the ${displaystyle alpha _ {FL}}$ úhel přijatý během přístupu nukleofilu k trigonálnímu elektrofilu závisí komplexně na:

• relativní sterická velikost dvou substituentů připojených k (alfa až) elektrofilní karbonylové skupině, která vede k různým stupňům odpudivých van der Waalsových interakcí (např. ${displaystyle alpha _ {FL}}$ ≈ 7 ° pro hydrid zaútočit na pivaldehyd (viz obrázek), kde R =terciární-butyl a R '= H),^[2]
• elektronické charakteristiky substituentů alfa na karbonylovou skupinu, kde substituenty obsahující heteroatom mohou prostřednictvím svých stereoelektronický vliv, funkce jako příliš rušivé sterické skupiny (např. dávání ${displaystyle alpha _ {FL}}$ ≈ 40-50 ° pro estery a amidy s malými skupinami R ', protože R je O- a N-substituent),^[2] a
• povaha vazeb vytvořených vzdálenějšími atomy k atomům alfa na karbonylovou skupinu, např. kde bylo vidět, že energie σ * molekulární orbitalu (MO) mezi alfa- a beta-substituenty konkuruje výše uvedeným vlivům,^[5]

stejně jako na MO tvarech a obsazenosti karbonylu a útočícího nukleofilu.^[2][3] Proto je ${displaystyle alpha _ {BD}}$ pozorované pro nukleofilní útok se zdá být ovlivněno primárně energetikou překrytí HOMO-LUMO dvojice nukleofil-elektrofil ve studovaných systémech - viz Bürgi – Dunitz článek a související koncept anorganické chemie modelu úhlového překrytí (AOM)^{[12][13][14][15][16]}—Který v mnoha případech vede ke konvergenci ${displaystyle alpha _ {BD}}$ hodnoty (ale ne všechny, viz níže); nicméně, ${displaystyle alpha _ {FL}}$ požadované k zajištění optimálního překrytí mezi HOMO a LUMO odráží složitou souhru energetických příspěvků popsaných výše v příkladech.

Původ a současný rozsah koncepce

Teorie úhlu Bürgi – Dunitz byla původně vyvinuta na základě „zmrazených“ interakcí v krystalech,^{[2][3]:124 a více[7]} zatímco většina chemie probíhá prostřednictvím srážek molekul padajících v roztoku; pozoruhodně, teorie ${displaystyle alpha _ {FL}}$se složitostí, kterou odrážejí, se nevyvinuly z krystalografické práce, ale ze studia reakčních výsledků v takových praktických reakcích, jako je přidání enoláty na aldehydy (např. zejména při studiu diastereoselace) aldol reakce).^[1][3] Při použití obou úhlů trajektorie nukleofilů na skutečné chemické reakce, HOMO-LUMO vycentroval pohled na Bürgi-Dunitzův úhel, ${displaystyle alpha _ {DB}}$, je upraven tak, aby zahrnoval další komplexní, elektrofilně specifické atraktivní a odpudivé elektrostatický a van der Waalsovy interakce to se může změnit ${displaystyle alpha _ {DB}}$ a zaujatost ${displaystyle alpha _ {FL}}$ směrem k jednomu substituentu nebo druhému (viz výše).^[5] V každém systému hraje také dynamika (např. Změna torzní úhly ) a jsou implicitně zahrnuty ve studiích výsledků reakce v řešení, jako v raných studiích ${displaystyle alpha _ {FL}}$,^[5]- i když to není v krystalografické struktuře korelační přístupy, které zrodily koncept BD.

Nakonec v omezeném prostředí (např. V enzym a nanomateriál vazebná místa), tyto úhly, jsou-li charakterizovány, se zdají být zcela odlišné, předpokládá se pozorování, protože reaktivita není založena na náhodné srážce, a tak je vztah mezi principy orbitálního překrývání a reaktivitou složitější.^[8][10][17] Například zatímco jednoduchá studie adice amidů s relativně malými substituenty poskytla ${displaystyle alpha _ {FL}}$ ≈50 ° v roztoku,^[2] krystalografická hodnota určená pro enzymatický štěpení amidu pomocí serinová proteáza subtilisin dal ${displaystyle alpha _ {FL}}$ 8 ° a kompilace krystalografické literatury ${displaystyle alpha _ {FL}}$ hodnoty pro stejnou reakci v různých katalyzátorech seskupených při 4 ± 6 ° (tj. jen mírně odsazené přímo za karbonylovou skupinu, navzdory významné dissymetrii elektrofilů substrátu).^[8][10] Zároveň subtilisin ${displaystyle alpha _ {BD}}$ byl 88 ° (zcela odlišný od hydrid-formaldehydu ${displaystyle alpha _ {BD}}$ hodnotu 107 °, viz Bürgi – Dunitz článek) a ${displaystyle alpha _ {BD}}$ hodnoty úhlu z kompilace pečlivé literatury seskupené při 89 ± 7 ° (tj. jen mírně odsazené přímo nad nebo pod karbonylovým uhlíkem).

Aplikace

The Přídavek Mukaiyama aldolu reakce.^[18]

Úhly Flippin-Lodge a Bürgi-Dunitz byly prakticky v centru vývoje jasnějšího porozumění asymetrická indukce během nukleofilního útoku na bráněná karbonylová centra v syntetické organické chemii. Bylo to v této oblasti ${displaystyle alpha _ {FL}}$ byl poprvé definován Heathcockem a byl primárně používán.^[1][3] Větší substituenty kolem elektrofilního centra, jako jsou terc-butyly, vedou k vyšším stereoselektivitám v asymetrické indukci než menší substituenty, jako jsou methyly. Trajektorie nukleofilu blížícího se ke středu ohraničenému dvěma velkými substituenty je omezenější, tj. Úhel Flippin – Lodge je menší. Například v Přídavek Mukaiyama aldolu, objemnější fenyl terc-butyl keton má vyšší selektivitu pro syn izomer než menší fenylmethylketon. Podobně, pokud se použije objemný nukleofil, jako je t-butylmethylsilyl enolát, je selektivita vyšší než u malého nukleofilu, jako je lithný enolát.^[6]

Vzhledem k reakčnímu systému daného nukleofilu s karbonylovou skupinou, která má dva substituenty R a R ', kde substituent R' je stericky malé vzhledem k substituentu R (např. R '= atom vodíku, R = fenyl), ${displaystyle alpha _ {FL}}$ hodnoty odvozené z výsledků reakce a teoretických studií bývají větší;^{[Citace je zapotřebí ]} alternativně, pokud jsou uhlovodíkové substituenty bližší nebo stejné sterický velikost, odvozená ${displaystyle alpha _ {FL}}$hodnoty se zmenšují a mohou se blížit nule (např. R '= tert-butyl, R = fenyl).^{[Citace je zapotřebí ]} Z pohledu jednodušších elektrofilních systémů, kde do hry vstupuje pouze sterický objem, tedy útočné trajektorie tříd studovaných nukleofilů jasně ukazují, že s rostoucím rozdílem ve velikosti mezi substituentem může dojít k narušení úhlu FL používá se k zajištění vyšší stereoselektivity v navržených reakčních systémech;^{[Citace je zapotřebí ]} zatímco vzorce se stávají složitějšími, když do hry vstupují jiné faktory než sterický objem (viz výše část věnovaná orbitálním příspěvkům),^[2][5] Flippin, Lodge a Heathcock dokázali ukázat, že lze provést zobecnění, které bylo užitečné pro návrh reakce.^[1][2][3]

Překonávající oblastí použití byly studie různých aldolové reakce, přidání derivátu ketonu enol /izolovat nukleofily na elektrofilní aldehydy, každá s funkčními skupinami lišícími se velikostí a polaritou skupiny;^[3] způsob, jakým jsou funkce na nukleofile a elektrofile ovlivněny stereochemie vidět v reakčních produktech, a zejména v diastereoselection vystaven, byl pečlivě zmapován (viz sterický a orbitální popis výše,^[1][2][3] the aldolová reakce článek a související výukové materiály Davida Evanse o Harvardu o aldolu^[19]). Tyto studie zlepšily schopnosti chemiků navrhovat enantioselektivní a diastereoselektivní reakce potřebné při konstrukci komplexních molekul, jako je přírodní produkt spongistatiny^[20] a moderní drogy.^{[21][stránka potřebná ][22]} Zbývá zjistit, zda konkrétní rozsah ${displaystyle alpha _ {FL}}$ hodnoty přispívají podobně k uspořádání funkčních skupin v proteinech, a tak k jejich konformačním stabilitám (jak bylo uvedeno ve vztahu k trajektorii BD),^[23][24] nebo k jiným BD-korelovaným stabilizacím konformace důležitým pro strukturu a reaktivitu.^[25]

Další čtení

• Cieplak, A.S. (2008) [1994]. „Organické adiční a eliminační reakce; Transformační cesty karbonylových derivátů [kap. 6]“. V Bürgi, Hans-Beat; Dunitz, Jack D. (eds.). Korelace struktury. 1. Weinheim, GER: VCH. 205–302, zejm. 270–274. ISBN  978-3527616084. Citováno 1. března 2016.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz) Bürgi a Dunitz upravený svazek o strukturní korelaci, včetně pokrytí Flippin-Lodge (${displaystyle alpha _ {FL}}$) a Bürgi-Dunitz (${displaystyle alpha _ {BD}}$) pojmy.
• 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 [5], zpřístupněno 5. ledna 2014. Recenze, kterou napsal Clayton Heathcock ${displaystyle alpha _ {FL}}$ koncept a článek, ve kterém je pojmenován.
• Mahrwald, Rainer (1999). „Diastereoselect in Lewis-Acid-Mediated Addol Adds“ (PDF). Chem. Rev. 99 (5): 1095–1120, zejm. 1099, 1102, 1108. doi:10.1021 / cr980415r. PMID  11749441. Citováno 5. prosince 2015. Komplexní přehled výzkumné oblasti Mukaiyama diastereoselection (nyní 15 let).
• Evans, D.A., et al. (2006) „Karbonylové a azomethinové elektrofily [přednášky 21, 22],“ Chemistry 206, Advanced Organic Chemistry, paket str. 91–99, 106–110 a 116, Cambridge, MA, USA: Chemické oddělení Harvard University, viz [6], zpřístupněno 5. prosince 2015. Pečlivě promyšlené vysokoškolské výukové poznámky Davida Evanse a kol. Z Harvard Chemistry, které zahrnují ${displaystyle alpha _ {FL}}$ a ${displaystyle alpha _ {BD}}$ koncepty.
• Fleming, Ian (2010) Molecular Orbitals and Organic Chemical Reactions: Reference Edition, John Wiley and Sons, s. 214–215. ISBN  0470746580viz [7], zpřístupněno 5. ledna 2014. Klíčový přechodný text na bázi MO o organických mechanismech, kde ${displaystyle alpha _ {FL}}$ a ${displaystyle alpha _ {BD}}$ výsledky jsou shrnuty.

Viz také

• Bürgi – Dunitzův úhel

Reference