Угол Бюрги-Дуница - Bürgi–Dunitz angle

Бюрги-Дуниц и Флиппин-Лодж углы траектории сближения нуклеофила, и , по аналогии с высотным и азимутальным типами параметров в небесная (горизонтальная) система координат. Как в этой небесной системе координат, так и в системе описания нуклеофила, приближающегося к планарному электрофилу, проблема состоит в том, чтобы однозначно описать положение точки вне плоскости относительно конкретной точки на плоскости. Следовательно, в обоих случаях проблема может быть решена с использованием двух углов: угла высоты и угла азимута. Обратите внимание: хотя высоту в небесных приложениях легче всего измерить как указанную конкретную высоту, высота нуклеофила, , проще всего измерить как дополнительный угол, Nu-C-O, поэтому его значения чаще всего> 90 ° (см. текст и следующее изображение).
Добавление гидрида к формальдегиду
Оценка Бюрги – Дуница () угол для этого простейшего H(–) → H2C = O нуклеофильный добавление.
Взаимодействие HOMO-LUMO, лежащее в основе угол в простых системах.
(Оставили) Показана нуклеофильная атака заряженного нуклеофила (Nu), гидрид-аниона, на ненасыщенный тригональный центр альдегидного электрофила, формальдегида (R, R '= H). Показано значение, рассчитанное как оптимальное для этой системы, 107 °, и оно представляет собой тупой значения, наблюдаемые в большинстве экспериментальных химических систем. (Правильно) Рисунок приближения высшей занятой молекулярной орбитали p-типа (HOMO) нуклеофила, такого как хлорид-ион (зеленая сфера), и низшей незанятой молекулярной орбитали (LUMO) тригонального центра электрофильного карбонила формальдегида (черная сфера) углерод, кислород красных сфер, водород белых сфер). Вид почти сбоку, а развивающееся искажение атома углерода карбонильной группы вне плоскости для простоты опущено.
Структура L-метадон. Показан один стереоизомер метадона, ключевой молекулы, кристаллы которой были учился в разработке концепции угла BD. Обратите внимание третичный амин проецируется в нижний правый угол, а карбонил (C = O) группы в центре структуры, которые участвуют во внутримолекулярном взаимодействии в кристаллических структурах (после вращения вокруг одинарных связей, соединяющих их, во время кристаллизация процесс).
Структура протопина. Показана структура этой следующей ключевой молекулы, алкалоид, кристаллы которых также были учился в разработке концепции угла BD. Обратите внимание третичный амин в центре молекулы, часть десятичленного кольца, и группа C = O напротив нее на кольце; они также участвуют во внутримолекулярном взаимодействии, разрешенном изменениями в углы кручения атомов кольца.
Взаимодействие амина с карбонилом n → π * в протопине ​​с необычно коротким расстоянием N ··· C, равным 2,555 Å, и углом Бюрги-Дуница, равным 102 °.[1]

В Угол Бюрги-Дуница (Угол BD) - один из двух углов, которые полностью определяют геометрию "атаки" (приближение через столкновение) нуклеофил на тригональный ненасыщенный центр в молекула, первоначально карбонил центр в органический кетон, но теперь распространяется на альдегид, сложный эфир, и амид карбонилы и алкены (олефины).[2][3][4] А именно, в случае нуклеофильной атаки на карбонил, он определяется как угол связи Nu-CO, где Nu используется здесь для идентификации атома нуклеофила, который образует связь с атомом углерода C. Угол был назван после кристаллографов Ханс-Бит Бюрги и Джек Д. Дуниц, его первые старшие следователи. Второй угол, определяющий геометрию, описывает «смещение» подхода нуклеофила к одному из двух заместителей, присоединенных к карбонильному углероду или другому электрофильному центру, и был назван Угол Флиппина – Лоджа к Клейтон Хиткок после его сотрудников Ли А. Флиппина и Эрика П. Лоджа.[5] Эти углы обычно означают угол, измеренный или рассчитанный для данной системы, а не исторически наблюдаемый диапазон значений для исходных аминокетонов Бюрги-Дуница или идеализированное значение, вычисленное для конкретной системы (например, добавление гидрида к формальдегид, изображение слева). То есть углы BD и FL гидрид-формальдегидной системы дают заданную пару значений, тогда как углы, наблюдаемые для других систем, могут отличаться по сравнению с этой простейшей химической системой.[2][4][6]

Угол BD, принятый во время захода на посадку нуклеофил к тригональной ненасыщенной электрофил зависит в первую очередь от молекулярная орбиталь (МО) формы и заселенности ненасыщенного углеродного центра (например, карбонильный центр), и только вторично на молекулярных орбиталях нуклеофила.[2] Оригинал Bürgi -Дуниц измерения были серии внутримолекулярных амин -кетон карбонильные взаимодействия в кристаллах соединений, несущих обе функциональные группы, например, метадон и протопин (изображения слева и справа). Это давало узкий диапазон значений угла BD (105 ± 5 °); соответствующие вычисления -расчет молекулярных орбиталей из SCF-LCAO типа - описание сближения s-орбитали гидрид-аниона (H−) к пи-системе простейшего альдегида формальдегида (H2C = O), дал значение угла BD 107 °.[3][неосновной источник необходим ] Следовательно, Бюрджи, Дуниц, и впоследствии многие другие отметили, что кристаллографические измерения аминокетонов и вычислительная оценка для простейшей системы нуклеофил-электрофил были довольно близки к теоретическому идеалу, т.е. четырехгранный угол (внутренние углы тетраэдр, 109,5 °), и, таким образом, согласуется с геометрией, которая, как считается, важна для развития переходных состояний при нуклеофильных атаках на тригональные центры.[нужна цитата ]

Сходимость наблюдаемых углов BD можно рассматривать как результат необходимости максимального перекрытия между самой высокой занятой молекулярной орбиталью (HOMO ) нуклеофила и низшей незанятой молекулярной орбитали (LUMO ) ненасыщенного тригонального центра электрофила.[2] (См. Для сравнения родственную концепцию неорганической химии модели углового перекрытия.[7][8][9][страница нужна ]) В случае присоединения к карбонилу HOMO часто представляет собой орбиталь p-типа, как показано на рисунке (например, на амин азот или галогенид анион ), а под LUMO обычно понимают разрушение π * молекулярная орбиталь перпендикулярно плоскости, содержащей кетонную связь C = O и ее заместители (см. рисунок справа выше). Угол BD, наблюдаемый для нуклеофильной атаки, как полагают, приближается к углу, который обеспечит оптимальное перекрытие между HOMO и LUMO (на основе принципа снижения результирующих новых энергий МО после такого смешивания орбиталей аналогичной энергии и симметрии из участвующих реагентов) . В то же время нуклеофил избегает перекрытия с другими орбиталями электрофильной группы, которые неблагоприятны для образования связи (не видно на изображении справа выше из-за простоты R = R '= H в формальдегиде).[нужна цитата ]

Чтобы понять случаи реальных химических реакций, взгляд, ориентированный на HOMO-LUMO, модифицируется за счет понимания дополнительных сложных, специфичных для электрофилов отталкивающих и притягивающих факторов. электростатический и Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия которые изменяют высотный угол BD и смещают азимутальный угол Флиппина-Лоджа в сторону того или иного заместителя (см. рисунок выше).[10][неосновной источник необходим ] Кроме того, любая динамика в системе (например, легко изменяемая крутильные углы ) учитываются в реальных случаях. (Напомним, теория угла BD была разработана на основе «замороженных» взаимодействий в кристаллах; большая часть химии, представляющей общий интерес и использующейся, происходит через столкновения молекул, падающих в раствор.) Более того, в условиях ограниченной реакции, такой как связывание ферментов и наноматериалов На первых порах данные свидетельствуют о том, что углы BD для реактивности могут быть весьма разными, поскольку концепции реактивности, предполагающие перекрытие орбит во время случайных столкновений, не применимы напрямую.[11][6] Например, значение BD, определенное для ферментативный расщепление амида сериновая протеаза (субтилизин ) составляла 88 °, что совершенно отличалось от гидридно-формальдегидного числа 107 °; кроме того, компиляция литературных кристаллографических значений угла BD для одной и той же реакции, опосредованной различными белковыми катализаторами, сгруппированными под углом 89 ± 7 ° (то есть лишь слегка смещенными относительно непосредственно выше или ниже карбонильного углерода). В то же время значение FL субтилизина составляло 8 °, а значения угла FL, полученные при тщательной компиляции, сгруппированы на уровне 4-6 ° (т. Е. Лишь незначительно смещены непосредственно за карбонилом; см. Угол Флиппина – Лоджа статья).[6][неосновной источник необходим ]

С практической точки зрения, углы Бюрги – Дуница и Флиппина – Лоджа сыграли центральную роль в развитии понимания хиральный химический синтез, и, в частности, феномен асимметричная индукция при нуклеофильной атаке на заторможенные карбонильные центры (см. Крам – Фелкин – Ань и модели Нгуен).[5][12] Кроме того, стереоэлектронные принципы, лежащие в основе нуклеофилов, принимающих запрещенный диапазон углов Бюрги-Дуница, могут способствовать конформационной стабильности белков.[13][14] и призваны объяснить стабильность определенных конформаций молекул в рамках одной гипотезы химического происхождения жизни.[15]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Холл, S. R .; Ахмед Ф. Р. (1968). «Кристаллическая структура протопина, C20ЧАС19О5N ". Acta Cryst. B. 24: 337–346. Дои:10.1107 / S0567740868002347.
  2. ^ а б c d Флеминг, И. (2010) Молекулярные орбитали и органические химические реакции: справочное издание, John Wiley & Sons, стр. 214–215.
  3. ^ а б Bürgi, H.-B .; Dunitz, J.D .; Лен. J.-M .; Випфф, Г. (1974). «Стереохимия реакционных путей на карбонильных центрах». Тетраэдр. 30 (12): 1563–1572. Дои:10.1016 / S0040-4020 (01) 90678-7.
  4. ^ а б Цеплак, А. (2008) Органические реакции присоединения и элиминирования: Пути превращения карбонильных производных В Структура корреляции, Vol. 1 (H.-B. Bürgi & J.D. Dunitz, ред.), Нью-Йорк: John Wiley & Sons, стр. 205–302, особенно. 216-218. [DOI: 10.1002 / 9783527616091.ch06; ISBN  9783527616091 ]
  5. ^ а б Хиткок, К. (1990) Понимание и контроль диастереофациальной селективности в реакциях образования углерод-углеродных связей, Aldrichimica Acta 23(4): 94-111, особенно. п. 101, см. [1], по состоянию на 9 июня 2014 г.
  6. ^ а б c Радиски, Э. И Кошланд Д. (2002), Механизм засорения желоба для ингибиторов протеазы, Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ., 99(16): 10316-10321, см. [2], по состоянию на 28 ноября 2014 г.
  7. ^ Хоггард, П. (2004) Параметры модели углового перекрытия, Struct. Связь. 106, 37.
  8. ^ Burdett, J.K. (1978) Новый взгляд на структуру и связь в комплексах переходных металлов, Adv. Неорг. Chem. 21, 113.
  9. ^ Перселл, К.Ф. И Котц, Дж. К. (1979) Неорганическая химия, Филадельфия, Пенсильвания: Saunders Company.[страница нужна ]
  10. ^ Лодж, E.P. И Хиткок, C.H. (1987) Стерические эффекты, а также сигма * -орбитальные энергии, важны для дифференциации диастероидов в дополнение к хиральным альдегидам, Варенье. Chem. Soc., 109:3353-3361.
  11. ^ См., Например, Light, S.H .; Минасов, Г .; Дубан, М.-Э. И Андерсон, В.Ф. (2014) Приверженность стереохимическим принципам Бюрги-Дуница требует значительных структурных перестроек в образовании шиффовых оснований: выводы из трансальдолазных комплексов, Acta Crystallogr. D 70(Pt 2): 544-52, DOI: 10.1107 / S1399004713030666, см. [3], по состоянию на 10 июня 2014 г.
  12. ^ Гоули, Р. И Обе, Дж. 1996, Принципы асимметричного синтеза (Tetrahedron Organic Chemistry Series, Vo. 14), стр. 121-130, особенно. стр. 127f.
  13. ^ Bartlett, G.J .; Choudhary, A .; Raines, R.T .; Вулфсон, Д.Н. (2010). "п→π* взаимодействия в белках ». Nat. Chem. Биол. 6 (8): 615–620. Дои:10.1038 / nchembio.406. ЧВК  2921280. PMID  20622857.
  14. ^ Фуфезан, К. (2010). «Роль взаимодействий Buergi-Dunitz в структурной стабильности белков». Белки. 78 (13): 2831–2838. Дои:10.1002 / prot.22800. PMID  20635415.
  15. ^ Choudhary, A .; Kamer, K.J .; Powner, M.W .; Sutherland, J.D .; Рейнс, Р. (2010). «Стереоэлектронный эффект в синтезе пребиотических нуклеотидов». ACS Chem. Биол. 5 (7): 655–657. Дои:10,1021 / cb100093g. ЧВК  2912435. PMID  20499895.