stringtranslate.com

Угол Бюрги–Дуница

Углы траектории приближения нуклеофила Бюрги–Дуница и Флиппина–Лоджа , и , аналогичны параметрам типа высоты и азимута в небесной (горизонтальной) системе координат . Как в этой небесной системе координат, так и в системе описания приближения нуклеофила к плоскому электрофилу, проблема состоит в том, чтобы однозначно описать местоположение точки вне плоскости относительно определенной точки на плоскости. Следовательно, в обоих случаях проблема может быть решена с использованием двух углов, угла типа высоты и угла типа азимута. Обратите внимание, что в то время как возвышение в небесных приложениях проще всего измерить как указанную определенную высоту, возвышение нуклеофила, , проще всего измерить как дополнительный угол, Nu-CO, поэтому его значения чаще всего >90° (см. текст и следующее изображение).

Угол Бюрги-Дуница (угол BD) — один из двух углов, которые полностью определяют геометрию «атаки» (сближения посредством столкновения) нуклеофила на тригональный ненасыщенный центр в молекуле , первоначально карбонильный центр в органическом кетоне , но теперь распространяющийся на альдегидные , эфирные и амидные карбонилы, а также на алкены (олефины). [1] [2] [3] Угол был назван в честь кристаллографов Ганса-Беата Бюрги и Джека Д. Дуница , его первых старших исследователей.

На практике углы Бюрги–Дуница и Флиппина–Лоджа сыграли центральную роль в развитии понимания хирального химического синтеза и, в частности, явления асимметричной индукции во время нуклеофильной атаки на затрудненные карбонильные центры (см. модели Крама–Фелкина–Аня и Нгуена [ необходимо разъяснение ] ). [4] [5]

Кроме того, стереоэлектронные принципы, лежащие в основе нуклеофилов, принимающих заданный диапазон углов Бюрги-Дуница, могут способствовать конформационной стабильности белков [6] [7] и используются для объяснения стабильности определенных конформаций молекул в одной из гипотез химического происхождения жизни . [8]

Определение

При добавлении атаки нуклеофила (Nu) к карбонилу угол BD определяется как угол связи Nu-CO. Угол BD, принятый во время подхода нуклеофила к тригональному ненасыщенному электрофилу, зависит в первую очередь от форм молекулярных орбиталей (МО) и занятости ненасыщенного углеродного центра (например, карбонильного центра), и только во вторую очередь от молекулярных орбиталей нуклеофила. [1]

Из двух углов, которые определяют геометрию нуклеофильной «атаки», второй описывает «смещение» подхода нуклеофила к одному из двух заместителей, присоединенных к карбонильной группе углерода или другому электрофильному центру, и был назван углом Флиппина-Лоджа (угол FL) Клейтоном Хиткоком в честь его соавторов Ли А. Флиппина и Эрика П. Лоджа. [4]

Эти углы обычно толкуются как угол, измеренный или рассчитанный для данной системы, а не исторически наблюдаемый диапазон значений для исходных аминокетонов Бюрги-Дуница или идеализированное значение, рассчитанное для конкретной системы (например, присоединение гидрида к формальдегиду , изображение слева). То есть углы BD и FL системы гидрид-формальдегид дают заданную пару значений, в то время как углы, наблюдаемые для других систем, могут отличаться относительно этой простейшей из химических систем. [1] [3] [9]

Измерение

Первоначальные измерения Бюрги-Дуница были серией внутримолекулярных взаимодействий амина - кетона с карбонилом в кристаллах соединений, содержащих обе функциональности, например, метадона и протопина . Они дали узкий диапазон значений угла BD (105 ± 5°); соответствующие вычисления - расчеты молекулярных орбиталей типа SCF-LCAO - описывающие приближение s-орбитали гидрид-аниона (H − ) к пи-системе простейшего альдегида, формальдегида (H 2 C=O), дали значение угла BD 107°. [2] [ необходим непервичный источник ]

Таким образом, Бюрги, Дуниц и многие другие впоследствии отметили, что кристаллографические измерения аминокетонов и вычислительная оценка для простейшей системы нуклеофил-электрофил были довольно близки к теоретическому идеалу, тетраэдрическому углу (внутренние углы тетраэдра , 109,5°), и, таким образом, соответствовали геометрии, которая, как считалось, важна для развития переходных состояний при нуклеофильных атаках на тригональные центры. [ необходима ссылка ]

  • Структура L-метадона, ключевой молекулы, кристаллы которой изучались при разработке концепции угла BD.
    Структура L - метадона , ключевой молекулы, кристаллы которой изучались при разработке концепции угла BD.
  • Структура протопина, алкалоида, кристаллы которого также изучались при разработке концепции угла БД.
    Структура протопина , алкалоида , кристаллы которого также изучались при разработке концепции угла БД.
  • Взаимодействие амина с карбонилом n→π* в протопине ​​с необычно коротким расстоянием N···C 2,555 Å и углом Бюрги-Дуница 102°.[10]
    Взаимодействие амина с карбонилом n→π* в протопине ​​с необычно коротким расстоянием N···C 2,555 Å и углом Бюрги-Дуница 102°. [10]

В структуре L -метадона (вверху слева) обратите внимание на третичный амин , выступающий в правый нижний угол, и карбонильную (C=O) группу в центре, которые вступают во внутримолекулярное взаимодействие в кристаллической структуре (после вращения вокруг соединяющих их одинарных связей в процессе кристаллизации ).

Аналогично, в структуре протопина (вверху, в центре) обратите внимание на третичный амин в центре молекулы, часть десятичленного кольца, и группу C=O напротив него в кольце; они участвуют во внутримолекулярном взаимодействии, которое возможно благодаря изменениям торсионных углов атомов кольца.

Теория

Присоединение гидрида к формальдегиду
(Слева) Показана нуклеофильная атака заряженного нуклеофила (Nu), гидрид-аниона, на ненасыщенный тригональный центр альдегидного электрофила, формальдегида (R,R'=H). Указано значение, рассчитанное как оптимальное для этой системы, 107°, и оно является репрезентативным для тупых значений, наблюдаемых в большинстве экспериментальных химических систем.
(Справа) Карикатура сближения 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 углерода, красная сфера кислорода, белые сферы водорода). Вид почти сбоку, и развивающееся внеплоскостное искажение атома углерода карбонила опущено для простоты.

Сходимость наблюдаемых углов BD можно рассматривать как результат необходимости максимизировать перекрытие между высшей занятой молекулярной орбиталью ( HOMO ) нуклеофила и низшей незанятой молекулярной орбиталью ( LUMO ) ненасыщенного тригонального центра электрофила. [1] (См. для сравнения связанную с этим концепцию неорганической химии модели углового перекрытия. [11] [12] [13] [ нужна страница ] )

В случае присоединения к карбонилу HOMO часто является орбиталью p-типа (например, на азоте амина или анионе галогенида ), а LUMO обычно понимается как антисвязывающая молекулярная орбиталь π* , перпендикулярная плоскости, содержащей связь кетона C=O и ее заместители (см. рисунок справа выше). Считается, что угол BD, наблюдаемый для нуклеофильной атаки, приближается к углу, который обеспечит оптимальное перекрытие между HOMO и LUMO (на основе принципа понижения результирующих новых молекулярных орбитальных энергий после такого смешивания орбиталей с аналогичной энергией и симметрией от участвующих реагентов). В то же время нуклеофил избегает перекрытия с другими орбиталями электрофильной группы, которые неблагоприятны для образования связи (не видны на изображении справа, выше, из-за простоты R=R'=H в формальдегиде). ​​[ необходима цитата ]

Осложнения

Электростатические и Ван-дер-Ваальсовые взаимодействия.

Для понимания случаев реальных химических реакций, представление, центрированное на HOMO-LUMO, модифицируется путем понимания дополнительных сложных, специфических для электрофилов отталкивающих и притягивающих электростатических и ван-дер-ваальсовых взаимодействий , которые изменяют высотный угол BD и смещают азимутальный угол Флиппина-Лоджа в сторону одного или другого заместителя (см. рисунок выше). [14] [ необходим непервичный источник ]

Линейная и вращательная динамика

Теория угла BD была разработана на основе «замороженных» взаимодействий в кристаллах, где влияние динамики , действующей в системе (например, легко изменяемые торсионные углы ), может быть незначительным. Однако большая часть химии общего интереса и использования происходит посредством столкновений молекул, кувыркающихся в растворе ; соответственно, в таких случаях динамика учитывается.

Ограниченные среды в ферментах и ​​наноматериалах

Более того, в ограниченных реакционных средах, таких как участки связывания ферментов и наноматериалов, ранние данные свидетельствуют о том, что углы BD для реакционной способности могут быть совершенно разными, поскольку концепции реакционной способности, предполагающие перекрытие орбиталей во время случайного столкновения, не применимы напрямую. [15] [9]

Например, значение BD, определенное для ферментативного расщепления амида сериновой протеазой ( субтилизином ), составило 88°, что весьма отличается от значения гидрид-формальдегида 107°; более того, компиляция литературных кристаллографических значений угла BD для той же реакции, опосредованной различными белковыми катализаторами, сгруппирована на уровне 89 ± 7° (т. е. лишь немного смещена от непосредственно выше или ниже карбонильного углерода). В то же время значение FL субтилизина составило 8°, а значения угла FL из тщательной компиляции сгруппированы на уровне 4 ± 6° (т. е. лишь немного смещена от непосредственно позади карбонила; см. статью об угле Флиппина–Лоджа ). [9] [ необходим непервичный источник ]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcd Флеминг, И. (2010) Молекулярные орбитали и органические химические реакции: справочное издание , John Wiley & Sons, стр. 214–215.
  2. ^ ab Bürgi, H.-B.; Dunitz, JD; Lehn. J.-M.; Wipff, G. (1974). «Стереохимия путей реакции в карбонильных центрах». Tetrahedron . 30 (12): 1563–1572. doi :10.1016/S0040-4020(01)90678-7.
  3. ^ ab Cieplak, AS (2008) Органические реакции присоединения и элиминирования: пути трансформации карбонильных производных В Structure Correlation, т. 1 (ред. H.-B. Bürgi & JD Dunitz), Нью-Йорк: John Wiley & Sons, стр. 205–302, в особенности 216–218. [doi:10.1002/9783527616091.ch06; ISBN 9783527616091 ] 
  4. ^ ab Heathcock, CH (1990) Понимание и контроль диастереофациальной селективности в реакциях образования углерод-углеродных связей, Aldrichimica Acta 23 (4):94-111, особенно стр. 101, см. [1], доступ 9 июня 2014 г.
  5. ^ Gawley, RE & Aube, J. 1996, Принципы асимметричного синтеза (серия Tetrahedron Organic Chemistry, т. 14), стр. 121-130, особенно стр. 127f.
  6. ^ Bartlett, GJ; Choudhary, A.; Raines, RT; Woolfson, DN (2010). "n→π* взаимодействия в белках". Nat. Chem. Biol . 6 (8): 615–620. doi :10.1038/nchembio.406. PMC 2921280. PMID 20622857  . 
  7. ^ Фуфезан, К. (2010). «Роль взаимодействий Бюрги-Дуница в структурной стабильности белков». Белки . 78 (13): 2831–2838. doi :10.1002/prot.22800. PMID  20635415. S2CID  41838636.
  8. ^ Choudhary, A.; Kamer, KJ; Powner, MW; Sutherland, JD; Raines, RT (2010). «Стереоэлектронный эффект в пребиотическом синтезе нуклеотидов». ACS Chem. Biol . 5 (7): 655–657. doi :10.1021/cb100093g. PMC 2912435. PMID  20499895 . 
  9. ^ abc Radisky, ES & Koshland, DE (2002), Механизм засорения желоба для ингибиторов протеазы, Proc. Natl. Acad. Sci. USA , 99 (16):10316-10321, см. [2], доступ получен 28 ноября 2014 г.
  10. ^ Холл, SR; Ахмед, FR ( 1968). «Кристаллическая структура протопина, C20H19O5N » . Acta Crystallogr. B. 24 ( 3 ): 337–346. doi :10.1107/S0567740868002347.
  11. ^ Hoggard, PE (2004) Параметры модели углового перекрытия, Struct. Bond. 106 , 37.
  12. ^ Бердетт, Дж. К. (1978) Новый взгляд на структуру и связь в комплексах переходных металлов, Adv. Inorg. Chem. 21 , 113.
  13. ^ Purcell, KF & Kotz, JC (1979) Неорганическая химия , Филадельфия, Пенсильвания: Saunders Company. [ нужна страница ]
  14. ^ Lodge, EP & Heathcock, CH (1987) Стерические эффекты, а также энергии сигма*-орбиталей важны для дифференциации диастереограней в добавках к хиральным альдегидам, J. Am. Chem. Soc. , 109 :3353-3361.
  15. ^ См., например, Light, SH; Minasov, G.; Duban, M.-E. & Anderson, WF (2014) Соблюдение стереохимических принципов Бюрги-Дуница требует значительных структурных перестроек при образовании оснований Шиффа: выводы из комплексов трансальдолазы, Acta Crystallogr. D 70 (Pt 2):544-52, DOI: 10.1107/S1399004713030666, см. [3], доступ 10 июня 2014 г.